ENERGIA EÓLICA DDS - 01.004.003 Página: No da Revisão: 00 Data: 13.08.2015 Contato: Roberval Luna da Silva [email protected] /[email protected]/www.colunaengenharia.com.br 1 GESTÃO INTEGRADA: QUALIDADE – MEIO AMBIENTE E SEGURANÇA OCUPACIONAL Área de treinamento: Nº DOCUMENTO PARQUES EÓLICOS DDS - 01.004.003 ÁREA DE TREINAMENTO: SEGURANÇA E HIGIENE DO TRABALHO NAS USINAS EÓLICAS ASSUNTO: Riscos de descargas atmosféricas nas torres eólicas. Material de uso exclusivo em treinamentos internos. Proibida a reprodução para uso comercial.
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ASSUNTO: Riscos de descargas atmosféricas nas torres eólicas. · 8 - TORRE 9 - CONTROLE 10 - FUNDAÇÃO FIGURA 3 – Detalhes simplificados de um aerogerador. As normas técnicas
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Riscos de descargas atmosféricas nos aerogeradores.
1.0 INTRODUÇÃO.
Os dados estatísticos sobre acidentes e doenças relacionadas com o trabalho no setor da energia eólica não só são muito escassas como as informações
disponíveis são insuficientes. Não restam dúvidas, porém, que os parques
eólicos são instalações basicamente automatizadas a que os trabalhadores só acedem para efeitos de manutenção e reparação. Independentemente de a
turbina eólica estar instalada em terra ou no mar, as tarefas operacionais e de manutenção que os técnicos executam no seu interior são exatamente as
mesmas. Como toda e qualquer atividade, podem ocorrer falhas operacionais a que o pessoal que trabalha no interior ou em redor das turbinas eólicas pode
estar exposto contam-se as seguintes: • colapso da torre;
• avaria das pás; • colisão com a torre;
• incêndio; • descargas atmosféricas.
Não é objetivo desde módulo tratar profundamente dos projetos e do
detalhamento dos sistemas de proteção contra descargas atmosféricas, com
suas vantagens e deficiências. Procura-se apenas apresentar os detalhes de interesse do treinamento Integrado de Qualidade - Meio ambiente - Segurança
ocupacional, voltado para as instalações produtoras de energia elétrica com geração eólica. Ou seja, tratamos especificamente da Segurança do Trabalho,
no que diz respeito à proteção contra descargas atmosféricas nos aerogeradores, com o objetivo de:
Identificar os pontos críticos, relacionados com os postos de trabalho,
existentes durante a construção, manutenção e operação dos parques eólicos;
Identificar os riscos gerais de segurança e saúde ocupacional, para cada posto de trabalho identificado;
Fazer as avaliações de riscos dos procedimentos e seus riscos, para cada posto de trabalho;
Conhecer os requisitos e normas relacionados com os procedimentos de
trabalho; Identificar as formas de controlar ou eliminar os riscos identificados e
Pequenos (<1,5 MW) Médios (<1,5 a 3,0 MW. Aturas até 80m e pás de até 37 m de comprimento).
Pequenos (>3,0 MW. Alturas entre 80ª 100m ou mais e pás entre 37 e 49 m ou mais de comprimento).
FIGURA 2 – Classificação dos aerogeradores segundo o porte.
3.0 PROJETOS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS.
Com a finalidade de minimizar os potenciais de risco originados de impactos das sobretensões elétricas, todos os aerogeradores devem ser equipados com
um adequado sistema de para-raios e aterramento. Os sistemas de proteção devem ser efetivos, de modo a garantir os critérios de segurança,
confiabilidade e continuidade para a produção de energia, e que sejam aceitáveis pela comunidade técnica. Dois objetivos são estabelecidos:
Segurança das pessoas e equipamentos; Segurança da operação:
Os projetos de proteção contra as descargas atmosféricas nos Parques Eólicos
são elaborados dentro de critérios técnicos estabelecidos por normas internacionais de elevada credibilidade, tendo como base as análises de risco
por impactos indiretos e impactos diretos. Entretanto, sabemos que alguns projetos, especialmente os mais antigos, são menos confiáveis do que outros.
Pequenos e alguns médios aerogeradores, no geral, não possuem sistemas de
proteção contra raios. Já os aerogeradores de maior porte são fabricados com de tecnologias de ponta, e são capazes de eliminar possíveis efeitos de raios,
com elevada eficiência ou minimizar os danos que seriam produzidos.
ensaio, sistemas elétricos de baixa tensão, medidas de proteção, zonas ZPR de
proteção, conexões equipotenciais, DPS, etc.); Aterramento dos aerogeradores e parques eólicos; Segurança de pessoas; Documentos do sistema de
proteção; e Condições de inspeção do sistema de Proteção.
A maioria dos projetos de proteção contra raios dos aerogeradores instalados no mundo adotam as disposições e orientações contidas em normas europeias,
em particular, as normas VDE 0101 e VDE 0185 (IEC61024-1). Para a maioria
dos projetos a norma IEC 61400-24 - Protección contra el rayo en aerogeneradores é a base conceitual mais utilizada. Naturalmente, há um
conjunto de outras normas também importantes:
IEC 61400-24:2010 Aerogeneradores. Parte 24 - Proteccion contra el rayo
IEC 61024-1:1990 Protection of structures against lightning - Part 1 -
General principles IEC 62305-1:2011 Proteccion contra el rayo. Parte 1- Principios
generales IEC 62305-2: 2010 : Parte 2 - Evaluaciones de Riesgo.
IEC 62305-3: 2010: Parte 3 - Los daños físicos a las estructuras y peligro de muerte.
IEC 62305-4: 2010 : Sistemas eléctricos y electrónico dentro de las estructuras - Parte 4
IEC 62.561/1:2012: Componentes de protección contra el rayo (CPCR).
Parte 1 - Requisitos para los componentes de conexión.
IEC 62.561/6:2011: Componentes de protección contra el rayo (CPCR).
Parte 6 - Requisitos para los contadores de rayos.
Dentre outras.
A norma IEC 61400-24:2010 – Aerogeneradores Parte 24 - Protección contra
el rayo" e complementares, avaliam o risco de impacto sobre os aerogeradores e seus sistemas de potencia. Discorrem sobre a metodologia de calculo para a
estimativa dos impactos e medidas de proteção. Definem os requisitos de proteção contra os impactos diretos e indiretos dos raios sobre as pás e
demais elementos estruturais, além dos sistemas elétricos de controle. São
estabelecidas as classes de proteção (I, II, III e IV) para os dispositivos de proteção, descarregadores de correntes de raio, descarregadores de
sobretensões, etc. Outras normas definem também os sistemas de avisos e como implementar os dispositivos de alarme. A problemática de afetação dos
aerogeradores envolve o estudo das áreas de locação. A norma IEC 61400-24 recomenda ainda métodos de calculo, adotando o principio de áreas
São estabelecidas zonas ZPR de proteção nas turbinas eólicas conforme a criticidade das perturbações eletromagnéticas:
LPZ AO – Zona exposta ao risco de impactos diretos, corrente plena e
campos eletromagnéticos não atenuados. Os sistemas internos poder estar expostos à corrente completa do raio.
LPZ OB – Zona protegida sem impactos diretos provenientes de raios,
corrente plena e campos eletromagnéticos não atenuados. Os sistemas internos poder estar expostos à corrente parciais do raio.
LPZ 1 – Zona sem impactos diretos das descargas, corrente reduzida e campos eletromagnéticos atenuados. As correntes transitórias são
limitadas mediante dispositivos de proteção contra sobretensões - DPS (Surge Protection Devices) nos limites de zonas.
LPZ 2 – Zonas com maior redução das correntes, maior atenuação dos campos eletromagnéticos. As correntes transitórias são limitadas
mediante dispositivos de proteção contra sobretensões - DPS (Surge Protection Devices), os quais assegurem que os componentes elétricos e
eletrônicos situados no interior do aerogerador trabalhem sem interferências.
4.0 DISPOSITIVOS E EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO
Um aerogerador como qualquer outro sistema elétrico está exposto à influências internas e externas. Por essa razão devem ser protegidos contra os
impactos dos raios, instalando-se dispositivos internos e externos.
Influências internas – Conjunto de influências do tipo curtos-circuitos ou contatos acidentais à terra por componentes elétricos.
Influências externas – Conjunto de influências, por exemplo, originadas por
descargas atmosféricas ou por operações de conexão/interconexão de linhas. Estas influências podem resultar na destruição das instalações, e no pior dos
casos, colocar em perigo a vida de pessoas.
O sistema externo de proteção dos aerogeradores engloba as pás, nacelle,
torres, fundações, etc., evitando que a passagem dos raios atinja componentes internos e externos, sensíveis aos campos eletromagnéticos ou correntes
parasitas provenientes do exterior. A finalidade é obter uma proteção máxima possível, para a integridade do próprio aerogerador e para as pessoas que se
Já o sistema interno, pretende suprir com um nível de proteção mais elevado, de 100% de eficácia, o funcionamento dos componentes internos elétricos e
eletrônicos, manutenção da continuidade de geração, proteção de sinais, proteção de dados, etc., conservando todas as suas propriedades técnicas
iniciais, mesmo depois de cada atuação, na presença de descargas indesejáveis. Os componentes eletrônicos são separados galvanicamente e
situados em carcaças metálicas. De modo que as proteções internas em zonas
LPZ1 e LPZ2 são constituídas de conexões equipotenciais e a proteção contra os impulsos transitórios dos circuitos elétricos e de controle que passam por
outras zonas ZPR. Todo o sistema é adequadamente interconectado para combater eventuais faíscas entre as partes condutoras do aerogerador. Todos
os dispositivos de proteção são projetados para o nível máximo de classe I de acordo com as normas IEC 62305, IEC 61400 e IEC61024, ou similares.
Na prática o sistema de Proteção Contra Descargas atmosféricas engloba uma
gama de equipamentos e componentes de proteção contra as sobretensões momentâneas; isolamento de sinais de controle; proteção contra descargas
atmosféricas e raios de incidência direta; e trajetos seguros para o aterramento. Os principais dispositivos ou equipamentos de proteção são os
seguintes:
FIGURA 6 – Principais dispositivos de proteção contra descargas atmosféricas.
FIGURA 9 – Tipos de captação e distribuição dos efeitos de raios nas
pás.
Admite-se que nacelles e torres tubulares fabricadas com placas de aço
funcionem pelo principio da jaula de Faraday, protegendo o volume interior que uma vez sendo herméticamente fechado pode garantir uma certa
atenuação do campo eletromagnético.
5.0 MECANISMO DE PROTEÇÃO.
A corrente das descargas, originadas por impactos de raios diretos e indiretos,
percorrem um caminho preferencial conforme projetado. Nos projetos em que todo o conjunto do aerogerador está interligado com um sistema de para-raios
permanente, desde a ponta de cada pá e até as fundações. O raio quando captado na extremidade da hélice como o ponto mais alto do conjunto, sendo
distribuído ao longo do seu corpo até serem dissipadas no solo. Vale salientar que este sistema não atrai os raios para si, pelo poder das pontas, apenas atua
se for atingido. O ponto crítico é a passagem da corrente de raio pela parte giratória para atingir integralmente a parte fixa do aerogerador, por meio de
dispositivos dotados de anéis, especialmente projetados com esta finalidade. A eficiência desse mecanismo de proteção tem sido comprovada, sob condições
controladas, em oficinas e laboratórios de pesquisa, garantindo que sob uma
grandes proporções, sob determinadas circunstâncias que fogem ao controle
do sistema de proteção. Para explicar eventuais falhas passíveis de ocorrer em função das descargas atmosféricas, apesar da existência dos sistemas de
proteção, podemos dizer que o raio impactante cria um arco elétrico que se extende a outras áreas condutoras do equipamento, desde o ponto de
captação ou contato, alcançando temperaturas que podem ser da ordem de 30.000º C. Nem sempre o sistema de derivação das cargas desde a pá ate o
solo ocorre sob condições controladas.
Quando ocorrem deficiências, os efeitos eletromagnéticos dos impactos de um raio e da corrente produzida podem criar acoplamentos e induções nos
dispositivos eletrônicos sensíveis de navegação e orientação de ventos. Há o risco de avarias nos componentes eletrônicos de regulação da frenagem,
descontrolando o rotor que pode aumentar perigosamente a sua velocidade, sob os ventos fortes das tormentas produtoras de raios.
Em outras situações, a corrente elétrica do raio, em seu percurso através dos
elementos condutores de resistência mais baixa pode elevar a temperatura ou provocar faíscas que podem ocasionar outros riscos, como incêndios. As
temperaturas mais altas podem produzir a alteração molecular de componentes importantes, como as pás, fragilizando-os para efeito de fadiga,
e até mesmo a fusão completa de materiais. Estas podem soltar partes danificadas ou se desprender, levando à queda da turbina.
As descargas que ocorrem de forma descontrolada, sob elevadas temperaturas, podem, em ultima instância, criar forças expansivas. No seu
mecanismo de dano, quando a corrente do raio forma um arco elétrico no ar, contido no interior das pás, e a onda da pressão do choque, causada pelo arco
pode explodir a hélice ou romper a estrutura da mesma. O resultado da explosão seja por quebra ou derretimento, levam a uma destruição total do
aerogerador. Mesmo que não ocorram explosões, no mínimo, pode provocar incêndios no óleo usado na lubrificação, da mesma forma que ocorre com o
sobreaquecimento derivado de sobrecargas ou defeitos mecânicos, lubrificação defeituosa, curtos-circuitos, arcos elétricos ou faíscas geradas nos freios
mecânicos, etc. Una vez iniciado um incêndio do grupo gerador há o risco das chamas atingirem todo o conjunto da turbina eólica.
Tradicionalmente, a proteção das estruturas mais comuns tira proveito de duas
teorias, ambas permitidas pela norma técnica NBR-5419 da ABNT:
Pararaios de Franklin – Hastes captadoras de maior porte que visam neutralizar as descargas atmosféricas e dirigir as correntes para o solo por
Gaiola de Farady – Conjunto de malhas ligadas de escoamento de correntes
para o solo, na forma de gaiola, distribuídas ao longo da estrutura, promovendo uma equalização dos potenciais produzidos pelas descargas
atmosféricas. A captação neste sistema é feita por um conjunto de pequenas hastes captoras.
FIGURA 10 – Esquemas de proteção contra descargas atmosféricas nas estruturas mais comuns.
Mais recentemente, as normas brasileiras incorporaram os métodos das
esferas rolantes, nada mais que uma evolução das teorias anteriores. A
escolha do sistema de proteção depende do tipo de estrutura a ser protegida. Por essa razão, em determinadas circunstâncias, os projetistas optam por
utilizar sistemas híbridos de projeto: Para-raios tipo Franklin + Gaiola de Faraday com hastes captoras ou não. Alguns projetistas dizem que é melhor
não ter para-raios do que ter um para-raios mal instalado ou mal dimensionado.
Quando há polaridade é positiva, a trajetória do raio será descendente desde a
ponta da pá até a sua distribuição no solo. O mesmo não ocorre quando a polaridade é positiva. Por essa razão os raios com polaridade positiva são mais
perigosos. Tendem a provocar grande destruição física dos materiais e pequenos danos aos equipamentos elétricos. A hélice pode soltar devido aos
efeitos do impacto, provocando a desestabilização do rotor, com o consequente tombamento lateral da torre de sustentação.
FIGURA 10 – Polaridade das descargas atmosféricas x dissipação no solo.
Voltando ao caso das turbinas eólicas, devemos considerar as situações e
limitações específicas do Setor Eólico, que tem sido um problema crescente, devido a quantidade de aerogeradores instalados a cada ano e o constante
aumento nas alturas dos mesmos. Ou seja, o sistema externo de proteção das turbinas eólicas protegem os aerogeradores contra os efeitos mecânicos
destrutivos e contra o fogo, dentro de certas limitações aceitáveis, em que pese os avanços tecnológicos alcançados nos últimos anos, e os conhecimentos
adquiridos em relação aos fenômenos atmosféricos. Os detectores de tempestades Classes I, II, II e IV funcionam com eficiência, apenas para
descargas nuvem-terra. Não são apropriados para as descargas terra-nuvem. As experiências de campo tem demonstrado que o uso de receptores ou
terminais captores na ponta das pás, funcionam efetivamente no caso de hélices com até 20 metros de comprimento. É bom lembrar também que as
hastes nem sempre estão paradas com a extremidade na maior altura. São elementos giratórios.
O risco de que um aerogerador receba um impacto de raio aumenta em função da altura. As normas não cobrem situações perigosas derivadas de grandes
tormentas e raios, com suas variações dinâmicas. Os procedimentos atuais não garantem uma proteção de 100% para o controle das descargas atmosféricas.
Há fatores determinantes que não podem ser controlados como a intensidade
da energia gerada pelas descargas e a polaridade dos raios, que podem
produzir diferentes efeitos eletrodinâmicos, térmicos, elétricos, magnéticos e eletromagnéticos. A aplicação da metodologia tradicional, neste caso, encontra
dificuldades, pelo tipo de estrutura a ser protegida. Ainda que dimensionadas com base em estudos e documentos criteriosos, aceitos internacionalmente,
estes mesmos estudos admitem a existência de áreas susceptíveis ou insuficientemente protegidas quando tratamos dos efeitos diretos. Estudos
realizados por especialistas, contando com o patrocínio das empresas
seguradoras admitem tais deficiências, quando se analisa as zonas de proteção estabelecidas pelas normas técnicas de projeto.
Ainda há, certo desconhecimento, quanto ao mecanismo de atuação dos raios. Sabemos que os mesmos são originados pela transferência súbita de cargas
elétricas acumuladas, provocando descargas nuvem-terra e terra-nuvem. No que diz respeito aos raios há quatro topologias conhecidas: Descarga nuvem-
terra negativa (descendente), que é a mais habitual; Descarga terra-nuvem (ascendente) positiva; Descarga nuvem-terra (descendente) positiva;
Descarga terra-nuvem (ascendente) negativa. Apenas, recentemente a comunidade científica comprovou e passou a estudar a física e as
características dos raios ascendentes que tem trazido grandes prejuízos quando atingem turbinas de geração eólica. É importante salientar que
segundo as estatísticas internacionais, 15 % dos raios que ocorrem no mundo
são do tipo terra-nuvem, chamados de raios positivos. Raios ascendentes são registrados no Brasil.
Devemos considerar que os raios e tormentas são fenômenos naturais que
estão submetidos a uma incerteza de natureza estatística. Isto significa dizer que não é possível obter uma informação 100% precisa, ficando difícil prever
quando e como um raio vai impactar uma turbina eólica. Os canais descendentes que se originam em estruturas muito altas decorre da elevada
magnitude do gradiente de potencial pelo efeito de pontas. Estes raios que partem do aerogerador de grande altura e se propagam em direção as nuvens
produzem picos máximos de corrente com valores baixos (aproximadamente 15 kA) e a carga transferida pode ser muito alta, significando potenciais
significativos, os quais podem causar grandes danos, tendo em vista que o sistema de dissipação não foi projetado para essas condições. A energia média
liberada na descarga é da ordem de 55 Kwh. O perigo de descarga está
relacionado com o fator tempo, considerando que toda essa energia se propaga entre 100 e 300 microsegundos e a corrente de pico alcança 1 a 2 μs.
MMÓÓDDUULLOO II –– IInnttrroodduuççããoo aaoo tteemmaa ddoo ttrreeiinnaammeennttoo: Princípios básicos da geração de Energia Eólica; Tecnologias de geração eólica; Caracterização dos empreendimentos; Principais componentes do sistema de geração; Fases de implantação, manutenção e operação; Atividades básicas de risco; Protocolos para intervenção no Sistema de Potência; e Qualificação profissional dos trabalhadores do setor de construção e manutenção de parques Eólicos; etc.
MMÓÓDDUULLOO IIII –– RRiissccooss pprrooffiissssiioonnaaiiss ddee mmoonnttaaggeemm,, mmaannuutteennççããoo ee
ooppeerraaççããoo:: Tipologia, origens e consequências dos principais riscos específicos do setor de energia elétrica de alta tensão, de Parques Eólicos, nas fases de montagem, manutenção e operação.
lliinnhhaass ddee ttrraannssmmiissssããoo: Normativos de segurança do trabalho; NR-10 e NR-35; Exigências legais dos órgãos de controle; Obrigações e responsabilidades; Ações e medidas de prevenção; Programas de gestão, reconhecimento, controle dos riscos; Registro e prontuário das informações; Procedimentos operacionais; etc.
MMóódduulloo VV –– EEllaabboorraaççããoo ee OOppeerraacciioonnaalliizzaaççããoo ddaass aaççõõeess ee mmeeddiiddaass
ddee PPrreevveennççããoo eessppeeccííffiiccooss ddoo sseettoorr: Atendimento das exigências legais; Aplicação dos programas gerais de gestão (RIMA, PPRA, PPP, SINPAT, etc.); Acidentes de proporção: Descargas atmosféricas e explosões. Programas especiais de emergência, evacuação, atendimento e resgate de acidentados; Atendimento de primeiros socorros.
MMóódduulloo VVII –– PPaarrttee pprrááttiiccaa: Elaboração de um plano de gestão incluindo o Plano de Emergência e Evacuação.
ee ooppeerraaççããoo: Metodologias de inventário das instalações; Pontos críticos; Conhecimento das distâncias elétricas de isolamento; Levantamento dos riscos de montagem, manutenção e operação; Análise e avaliação dos riscos; Elaboração dos mapas de risco específicos, etc.