UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ HIGOR LEONARDO DOMINGUES

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ HIGOR LEONARDO DOMINGUES ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE MÉTODOS DE VERIFICAÇÃO DAS CONEXÕES DE EQUIPAMENTOS À MALHA DE ATERRAMENTO EM SUBESTAÇÕES ENERGIZADAS CURITIBA 2011

2 HIGOR LEONARDO DOMINGUES ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE MÉTODOS DE VERIFICAÇÃO DAS CONEXÕES DE EQUIPAMENTOS À MALHA DE ATERRAMENTO EM SUBESTAÇÕES ENERGIZADAS Trabalho de Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrotécnica na área de Engenharia e Ciência dos Materiais, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Dr. Edemir Luiz Kowalski Co-orientador: Eng. M.Sc. Henry Leonardo López Salamanca CURITIBA 2011

3 AGRADECIMENTOS A Deus, pelo dom da vida, sabedoria e proteção. Aos meus pais, pelo amor, perseverança e apoio em todos os momentos da minha vida. Ao meus irmãos, pelo exemplo de luta, dedicação e inteligência. À minha namorada Larissa, pelo companheirismo, cumplicidade, paciência e amor. Ao meu orientador, Prof. Dr. Edemir Luiz Kowalski, pelo empenho, orientação e dedicação. Ao meu co-orientador, Eng. M.Sc. Henry Leonardo López Salamanca, pelas sugestões, dedicação e ajuda na realização e interpretação dos ensaios. Ao Eng. M.Sc. Diogo Biasuz Dahlke, pelo apoio na realização dos ensaios e orientações no período de estudos. À Eng. Rosane Maris Ribas, pela amizade, apoio, paciência e por me ajudar a ser um profissional com mais qualidade. Ao LACTEC, pelo apoio na realização dos ensaios e seus colaboradores. À COPEL, por permitir que eu realizasse este trabalho no período de estágio. À Universidade Federal do Paraná por oferecer um ensino público e de qualidade. III

4 SUMÁRIO SUMÁRIO... IV LISTA DE FIGURAS... VI LISTA DE TABELAS... VIII LISTA DE SIGLAS... IX RESUMO... XI ABSTRACT... XII 1 INTRODUÇÃO OBJETIVO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ATERRAMENTO ELÉTRICO Aplicações associadas ao aterramento elétrico IMPEDÂNCIA DE ATERRAMENTO Medição da resistência de aterramento CONDIÇÕES DE RISCO Choque Potencial de toque Potencial de toque máximo Potencial de passo Potencial de passo máximo Medição de Potencial de Toque e Passo Potencial de transferência RESISTIVIDADE DO SOLO Variação da resistividade do solo Medição da resistividade do solo A INFLUÊNCIA DA ESTRATIFICAÇÃO CURVAS EQUIPOTENCIAIS EFEITO DA ALTA FREQUÊNCIA NAS MEDIÇÕES Análise das frequências Compensação da componente reativa VERIFICAÇÃO DAS CONEXÕES À MALHA DE ATERRAMENTO Avaliação das conexões dos equipamentos com a malha de terra de uma Subestação Método do alicate terrômetro [6] IV

5 3.8.2 Verificação de continuidade entre ligações de equipamentos à malha de aterramento Método de pontos equipotenciais PARTE EXPERIMENTAL MATERIAIS E MÉTODOS Materiais e equipamentos Metodologia RESULTADOS E DISCUSSÃO ENSAIOS NA SE ARAPOTI ENSAIOS NA SE XISTO ENSAIOS NA SE FAZENDA RIO GRANDE CONCLUSÕES RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS V

6 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Constituição de um aterramento [7] Figura 2: Componentes de corrente no solo [7] Figura 3: Exemplo de medição de resistência de aterramento (método de queda de potencial) [11]... 8 Figura 4: Curva característica teórica da resistência de aterramento de um eletrodo pontual [11]... 9 Figura 5: Região de interferência entre duas hastes verticais (vista superior) [12] Figura 6: Região com interferência entre duas hastes verticais (vista lateral) [12] Figura 7: Região sem interferência entre os eletrodos (vista superior) [12] Figura 8: Região sem interferência entre as hastes (vista lateral) [12] Figura 9: Potencial de Toque. À esquerda a curva de distribuição de potencial. À direita o circuito elétrico equivalente [13] Figura 10: Potencial de Passo. À esquerda a curva de distribuição de potencial. À direita o circuito elétrico equivalente [13] Figura 11: Medição do potencial de passo [11] Figura 12: Medição do potencial de toque [11] Figura 13: Variações típicas de resistividade (ρ) do solo [16] Figura 14: Penetração da corrente elétrica na profundidade a [10] Figura 15: Disposição dos eletrodos para o Método de Wenner [16] Figura 16: Estratificação do solo em duas camadas [10] Figura 17: Solo estratificado em várias camadas [13] Figura 18: Curvas equipotenciais para Hastes Verticais [12] Figura 19: Curvas equipotenciais para cabos enterrados horizontalmente [12] Figura 20: Característica típica de Curvas Equipotenciais em malha de aterramento (linhas tracejadas) [12] Figura 21: Esquema simplificado da medição com alta frequência [11] Figura 22: Tensão V 2 entre a malha de terra e equipamento com conexão aberta (C 2 ) [18] Figura 23: Ensaio com alicate terrômetro em estruturas metálicas multiaterradas [18] Figura 24: Procedimento para verificação das ligações de equipamentos à malha de aterramento [15] VI

7 Figura 25: Croqui dos pontos medidos na área da SE Arapoti Figura 26: À esquerda condutor de aterramento do portão de acesso. À direita cantoneiras metálicas de aterramento da malha perimetral Figura 27: À esquerda condutor de aterramento das estruturas dos mastros das bandeiras. À direita condutor de aterramento do transformador Figura 28: Croqui do circuito de corrente nas instalações da SE Arapoti Figura 29: Desenho da pontos de aterramento da SE Xisto Figura 30: À esquerda a caixa de inspeção frente esquerda. À direita caixa de inspeção frente direita Figura 31: À esquerda ponto 6. À direita pára-raio antena VHF Figura 32: Croqui do circuito de corrente nas instalações da SE Xisto Figura 33: Desenho dos pontos de aterramento da SE Fazenda Rio Grande Figura 34: À esquerda ponto 12. À direita medição com alicate terrômetro entre os pontos 1 e Figura 35: À esquerda ponto 10. À direita carcaça ponto Figura 36: Croqui do circuito de corrente nas instalações da SE Fazenda Rio Grande VII

8 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Variação da resistividade em função do tipo do solo [16] Tabela 2: Descrição dos equipamentos utilizados Tabela 3: Verificação de conexões de equipamentos à malha de aterramento SE Arapoti. Método de Pontos Equipotenciais Tabela 4: Verificação de conexões de equipamentos à malha de aterramento SE Arapoti. Método do Alicate Terrômetro Tabela 5: Verificação de conexões de equipamentos à malha de aterramento SE Xisto. Método de Pontos Equipotenciais Tabela 6: Verificação de conexões de equipamentos à malha de aterramento SE Xisto. Método do Alicate Terrômetro Tabela 7: Verificação de conexões de equipamentos à malha de aterramento SE Fazenda Rio Grande. Método de Pontos Equipotenciais Tabela 8: Verificação de conexões de equipamentos à malha de aterramento SE Fazenda Rio Grande. Método do Alicate Terrômetro VIII

9 LISTA DE SIGLAS PC Personal Computer SGM Smart Ground Multimeter SE s Subestações SE Subestação kv Unidade de potencial (Quilovolts) Hz Unidade de frequência (Hertz) LACTEC Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento Ω Unidade de resistência elétrica (Ohm) Kg Unidade de massa (Quilograma) R t V I V toque R ch R c I ch I F Resistência de aterramento Tensão elétrica Corrente elétrica Potencial de toque Resistência do corpo humano Resistência de contato Corrente de choque pelo corpo humano (corrente limite de Dalziel) Corrente de falta no sistema R 1, R 2 e R 3 Resistências elétricas ρ s t s kg V passo ABNT NBR m Resistividade superficial do solo Tempo (em segundos) Unidade de tempo (segundos) Unidade de massa (Quilograma) Potencial de passo Associação Brasileira de Normas Técnicas Denominação de norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas Unidade de distância (metro) V* Potencial registrado nos ensaios quando 1 (um) Ampère de corrente é injetado na malha de aterramento I malha ρ Corrente elétrica de malha Resistividade do solo ºC Unidade de temperatura (grau Celsius) R Resistência medida. Valor indicado no medidor IX

10 a Distância entre hastes adjacentes b Profundidade de cravação da haste H Profundidade das camadas do solo Z mútua Z própria ρ a f DMG RMG X L X C ω C 1 e C 2 PR AT P&D ANEEL Impedância mútua entre cabos pára-raios e fase Impedância própria da malha Resistividade aparente Frequência (Hz) Distância média geométrica Raio médio geométrico Reatância indutiva Reatância capacitiva Frequência angular Capacitores Paraná Alta Tensão Pesquisa e Desenvolvimento Agência Nacional de Energia Elétrica TR1 e TR2 Transformadores Ec Eletrodo de corrente Ep Eletrodo de potencial VHF Antena de comunicação X

11 RESUMO Atualmente, as avaliações de malha de aterramento são realizadas na maioria das vezes no comissionamento da malha original, por estar o sistema desenergizado. No caso de subestações já energizadas, é obrigatório que o sistema malha de terra e linhas de distribuição e transmissão estejam desenergizados, para que as medições tenham resultado satisfatório e também por motivo de segurança. Concessionárias de energia elétrica necessitam periodicamente de avaliação e manutenção de malhas de aterramento, pois estas envelhecem com o tempo causando corrosão ou até mesmo a desconexão de pontos que deveriam estar devidamente aterrados. Somente a verificação do valor da resistência de aterramento não é suficiente para analisar a qualidade e a eficiência de um sistema de aterramento em uma subestação, por isso a necessidade de avaliar também o estado dos cabos de malha e dos pontos de conexão dos equipamentos com técnicas que permitam a verificação, em subestações energizadas, de pontos da malha onde podem estar sofrendo corrosão ou desconexão. Dois métodos foram aplicados e comparados: verificação de conexões à malha de aterramento com alicate terrômetro (método do alicate terrômetro); e verificação dos níveis de equipotencialização da malha e continuidade dos cabos de descida de cada equipamento instalado em uma subestação (método de pontos equipotenciais). A verificação de sistemas de aterramento em instalações energizadas, utilizando injeção de corrente em alta frequência, é uma técnica recente, por isso é necessária a sua validação para diferentes condições e tipos de instalação. Os resultados obtidos gerarão subsídios que permitirão o aprimoramento da técnica de alta frequência, cuja vantagem será efetuar medições em sistemas de aterramento de subestações e com todos os acoplamentos de aterramento e proteção contra descargas atmosféricas devidamente conectados. Palavras-chave: Aterramentos. Pontos de conexão. Medições. Subestação. Alta frequência. XI

12 ABSTRACT Currently, evaluations of grounding grid are performed mostly in the commissioning of the original mesh, because the system is powered down. In the case of substations already energized, is obligatory that the earth grid system and distribution and transmission lines are de-energized, so that the measurements have satisfactory results and also for security reasons. Electric utilities need periodic evaluation and maintenance of ground grids, as they age with time, causing corrosion or even disconnection of points that should be properly grounded. Only checking the value of grounding resistance is not sufficient to analyze the quality and efficiency of an earthing system in a substation, so the need to also evaluate the status of the mesh wires and connection points of the equipment with techniques that allow verification in energized substations, where the mesh points may be suffering from corrosion or disconnection. Two methods were applied and compared: the verification of connections to the grounding grid with Clamp, and check the levels of mesh equipotencialization and continuity of descent wires of each equipment installed in a substation. Verification of grounding systems at installations energized, using current injection in high frequency, is a recent technique, so it is necessary to validate it for different conditions and types of installation. The results will generate subsidies that enable the improvement of high-frequency technique, whose advantage will be to make measurements in substation grounding systems and with all the couplings and ground lightning protection properly connected. Key words: Grounding. Connection points. Measurements. Substation. High frequency. XII

13 1 INTRODUÇÃO As concessionárias de energia buscam a cada dia aprimorar e desenvolver técnicas de manutenção preventiva e corretiva em suas linhas de transmissão e distribuição, que permitam a intervenção no sistema sem necessidade de desligamento do mesmo. Entre estas técnicas, pode-se citar a manutenção com redes energizadas pelo método de contato ou ao potencial, inspeção instrumentalizada de redes de distribuição, transmissão e subestações, acompanhamento on-line de transformadores de potência, medição de sistemas de aterramento em instalações energizadas, entre outros. As subestações dentro do sistema elétrico possuem papel estratégico, pois são responsáveis por fazer a ligação entre as linhas de transmissão e as redes de distribuição que levam a energia a grande parte dos consumidores. Entre os vários elementos que compõem uma subestação destaca-se o sistema de aterramento. É extremamente importante a existência de um sistema de aterramento bem projetado em uma subestação, por ser um sistema elétrico de grande porte e de alta potência. O aterramento deve principalmente possuir baixa resistência de aterramento e alta capacidade de condução de corrente, conseguir um valor de resistência de aterramento invariável com as condições climáticas independente do material utilizado, e principalmente, proporcionar segurança ao pessoal e proteção aos equipamentos mantendo os níveis de potenciais dentro dos limites adequados, ou seja, limites de tensão e corrente que não causem danos aos equipamentos, choque elétrico e também fibrilação do coração. Em função de sua importância estratégica, com relação aos aspectos operacionais do sistema e com relação à segurança, a verificação periódica do sistema de aterramento em subestações é necessária, pois no decorrer do tempo as malhas de terra podem sofrer corrosão, desconexão de soldas, ou até mesmo roubo dos cabos de aterramento. O grande problema encontrado é a realização desta verificação com a subestação energizada. Por esta importância observa-se que algumas empresas já buscaram desenvolver estas técnicas de medições com a subestação energizada. Entre estas técnicas pode-se citar: A new method and Instrument for touch and step voltage measurements e A personal computer (PC) based ground impedance measurement instrument instrumento chamado de Smart Ground Multimeter SGM 1

14 capaz de medir a impedância de terra de um sistema de aterramento com o sistema energizado, utilizando o método de queda de potencial. [1,2] Medição da resistência de malhas de terra energizadas em subestações (SE s) 34,5/13,8 kv e obtenção da resistividade de solos de SE s, em laboratório corrente injetada na malha de terra pelo próprio sistema, medindo a tensão da malha com relação a um eletrodo remoto de potencial, dispensando assim uma fonte de corrente e reduzindo o tempo de execução da medição. [3] Avaliação de malhas de terra em subestações energizadas através de medições seletivas em frequência diferente de 60 Hz injeta uma corrente de frequência próxima de 60 Hz na malha. [4] Protótipo de medição de malha de terra em subestações energizadas método que emprega fonte de corrente adaptada para frequências de 270 Hz, 1,47 khz e 25 khz. [5] Estas novas técnicas devem ser melhor avaliadas com o objetivo de validá-las como técnicas de verificação periódica do sistema de aterramento, identificando possíveis processos de corrosão ou até mesmo a desconexão de soldas. A verificação de conexões à malha de aterramento com alicate terrômetro, dos níveis de equipotencialização da malha e da continuidade dos cabos de descida pode auxiliar neste processo. Para a realização destas medidas já se encontram disponíveis comercialmente equipamentos, tais como o Megabras TM-25m, que é um equipamento desenvolvido pela empresa Megabras e opera numa frequência de 25 khz, alicate terrômetro Minipa ET-4300 CLAMP-ON utilizado para verificar as conexões de descida dos equipamentos para a malha de terra e o protótipo desenvolvido pela Fundação Paulista de Tecnologia e Educação, citado no artigo Protótipo de medição de malha de terra em subestações energizadas [5]. Apesar de já existirem equipamentos para medição da malha de terra, os métodos de avaliação de sistemas de aterramento em instalações energizadas ainda não confirmam sua eficiência completa por algumas limitações, como as interferências eletromagnéticas, o Efeito Skin que é o caminho percorrido pela corrente elétrica na superfície dos condutores com o aumento da frequência, a necessidade de compensar reativos com capacitores instalados nos equipamentos, 2

15 o acoplamento mútuo entre os cabos de medição e regiões urbanas com difícil acesso para lançamento de cabos. Estas limitações mostram a importância de estudos comparativos entre as técnicas e equipamentos a fim de se possibilitar o aprimoramento das técnicas. Uma das técnicas que tem demonstrado potencial de aplicação é a verificação de sistemas de aterramento em instalações energizadas utilizando injeção de corrente em alta frequência. Por se tratar de técnica recente, tem-se observado a necessidade de sua validação para diferentes condições e tipos de instalação. 3

16 2 OBJETIVO O objetivo principal deste trabalho é fazer o comparativo entre dois critérios de verificação das descidas dos equipamentos à malha de aterramento de uma subestação, avaliando quais as melhores e piores situações, pontos com problemas nos cabos de malha e de descida, diferenças de potenciais de todos os pontos de uma subestação, utilizando equipamentos de alta frequência para medição em instalações energizadas. Para atingir este objetivo foram realizadas algumas medições de avaliação de sistemas de aterramento em subestações energizadas com base nos critérios seguintes: Verificação de conexões à malha de aterramento. Resultados obtidos com Alicate Terrômetro Minipa ET-4300 (método já desenvolvido pelo Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (LACTEC) - Técnicas de Avaliação do Aterramento de Equipamentos em SE s de Distribuição Energizadas [6]; Verificação de continuidade entre ligações de equipamentos à malha de aterramento e verificação de pontos equipotenciais. Comparação de resultados entre equipamento protótipo STM-02 (equipamento desenvolvido pela Alstech) e equipamento terrômetro da Megabras TM- 25m. 4

17 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 ATERRAMENTO ELÉTRICO Aterramento é uma ligação intencional de parte eletricamente condutiva (sistema físico elétrico, eletrônico ou corpos metálicos) ao solo, através de um condutor elétrico [7; 8]. O valor da resistência de aterramento representa a eficácia desta ligação, ou seja, quanto menor a resistência, melhor o aterramento [9]. Usualmente os valores adotados pelas concessionárias para resistência de malha de terra são de 1 Ω para subestações (SE s) de Transmissão, e de 1 Ω a 5 Ω para SE s de Distribuição. Esses valores de resistência não são adotados como padrão entre as concessionárias e não devem ser um critério isolado, pois as condições de segurança dependem também de outros fatores como resistividade do solo e potências de curto-circuito no ponto da subestação, ou seja, os potenciais de passo e toque devem ser considerados. Os componentes que envolvem os sistemas de aterramento, vistos na Figura 1, são basicamente constituídos por [7]: Conexões elétricas que ligam um ponto do sistema aos eletrodos; Eletrodos de aterramento (qualquer corpo metálico colocado no solo); Solo que envolve os eletrodos. Figura 1: Constituição de um aterramento [7]. A principal função de um aterramento está sempre associada à proteção de pessoal ou de equipamentos [9]. Com base nisso é possível destacar os principais objetivos do aterramento em uma subestação [10]: Obter uma resistência de aterramento a mais baixa possível, para correntes de falta à terra; 5

18 Manter os potenciais produzidos pelas correntes de falta dentro de limites de segurança de modo a não causar fibrilação do corpo humano; Fazer que equipamentos de proteção sejam mais sensibilizados e isolem rapidamente as faltas à terra; Prover um caminho para as correntes na terra em condições normais de operação e de falta, sem ultrapassar os limites que afetem a continuidade do serviço; Escoar as cargas estáticas geradas nas carcaças dos equipamentos. Hastes dispostas verticalmente são mais comumente utilizadas, principalmente quando as camadas mais profundas do solo têm menor resistividade elétrica e também pela praticidade e facilidade na cravação [7]. Outras disposições geométricas dos eletrodos de aterramento também são utilizadas, mas a forma depende de suas aplicações, como por exemplo, eletrodo horizontal, esfera colocada a uma certa profundidade, disco horizontal ao nível do solo, hastes em paralelo, etc Aplicações associadas ao aterramento elétrico As principais aplicações associadas aos aterramentos elétricos são [7,9]: Permitir o escoamento de cargas ou correntes de descarga, por ser a ligação à terra um fator de segurança, impedindo assim energização de partes metálicas expostas ao contato de pessoas e animais e impedindo o carregamento de cargas estáticas que possam originar faíscas ou irradiação eletromagnética; Limitar os níveis de potenciais ou a distribuição destes a patamares seguros, por meio de práticas adequadas de aterramento; Usar a terra como um condutor de retorno; Aterrar certos pontos de um sistema, para influenciar no desempenho de equipamentos de proteção eletroeletrônicos; e agir na proteção galvânica de partes metálicas enterradas no solo. 6

19 3.2 IMPEDÂNCIA DE ATERRAMENTO Um conceito importante para avaliar a natureza dos aterramentos é chamado de Impedância de Aterramento. A impedância é a maneira pela qual o sistema enxerga o aterramento, ou seja, é a oposição oferecida pelo solo à injeção de corrente elétrica no mesmo, através dos eletrodos. Uma conexão à terra apresenta resistência, capacitância e indutância. A Figura 2 mostra um circuito elétrico representando um sistema de terra simples. Figura 2: Componentes de corrente no solo [7]. Em muitas aplicações, não se refere à impedância de aterramento, mas à sua resistência. Isto se deve ao fato de que, nas condições dessas aplicações, os efeitos reativos são muito reduzidos. Essas condições são usuais para fenômenos lentos, cujas frequências representativas têm valor reduzido. A configuração resultante para o circuito equivalente se aproxima de um conjunto de condutâncias colocadas em paralelo. Esse é o caso de ocorrências próximas às condições de regime em sistemas de potência, como curtos-circuitos. O valor da resistência de aterramento pode ser quantificado pela relação entre a tensão aplicada a um aterramento e a corrente resultante, como mostrado na Equação 1 (neste caso, entende-se por tensão o potencial adquirido pelo aterramento referido ao infinito) [7]. V Rt = (1) I Medição da resistência de aterramento A injeção de corrente no solo faz com que ela se dissipe em várias direções, conforme a característica da distribuição de resistência do solo. Para medir a 7

20 resistência de terra, é necessário dispor sempre, basicamente, de um ponto na terra onde se "injeta" corrente (terra que deseja ser medido) e um ponto onde se "retira" a corrente injetada (terra auxiliar). Assim, pela Lei de Ohm, a corrente injetada circulará pela terra e provocará em sua superfície uma tensão, resultante do produto da resistência de terra até o ponto a ser medido pela corrente injetada. A medição da resistência de terra de um eletrodo pode ser feita então, utilizando-se um amperímetro e um voltímetro ou, diretamente através do terrômetro, como mostra a Figura 3. Figura 3: Exemplo de medição de resistência de aterramento (método de queda de potencial) [11]. A localização do eletrodo de tensão com relação ao terra auxiliar é muito importante na determinação do valor real da resistência a ser medida. A resistência real do aterramento, para solos homogêneos, se dá quando o eletrodo de potencial, colocado aproximadamente a 62% da distância entre o centro elétrico da malha e o eletrodo de corrente e alinhado com este, está na região do patamar. Este eletrodo tem sua localização gradativamente variada ao longo dessa direção, efetuando-se uma medição para cada posição, de forma a gerar uma curva semelhante a da Figura 4, da qual se obtém o valor da resistência do aterramento [7,10]. 8

21 R: Resistência obtida variando a distância da sonda desde a distância d = D até d = 0 (o eletrodo a medir) R V: Valor verdadeiro do aterramento Figura 4: Curva característica teórica da resistência de aterramento de um eletrodo pontual [11]. Para análise correta da eficiência e segurança do sistema de aterramento, deve-se levantar a curva de resistência de aterramento pela distância. Na proximidade do terra a ser medido, o afastamento do eletrodo móvel deverá ser pequeno, pois é nesta região que se nota gradiente máximo da resistência e, logo após, poderá ser aumentado o espaçamento, pois a curva tende a se estabilizar. Caso não tenha se estabilizado, isso significa que o espaçamento entre os terras (o medido e o auxiliar) não é suficiente, e um terra está interferindo no outro (as regiões de influência estão se superpondo), este é o principal método de medição de resistência de aterramento, chamado Método da Queda de Potencial [11]. Neste caso, deve-se distanciar o terra auxiliar até conseguir estabilização da curva de resistência, da Figura 5 à Figura 8 é mostrada a forma como ocorre interferência entre eletrodos. Figura 5: Região de interferência entre duas hastes verticais (vista superior) [12]. 9

22 Figura 6: Região com interferência entre duas hastes verticais (vista lateral) [12]. Figura 7: Região sem interferência entre os eletrodos (vista superior) [12]. Figura 8: Região sem interferência entre as hastes (vista lateral) [12]. 3.3 CONDIÇÕES DE RISCO A norma que estabelece as condições mínimas exigíveis para garantir a segurança dos empregados que trabalham em instalações elétricas no Brasil é a NR-10. Ela inclui elaboração de projetos, execução, operação, manutenção, reforma e ampliação, em quaisquer das fases de geração, transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica. Esta norma exige também que sejam observadas as normas técnicas oficiais vigentes e, na falta destas, as normas técnicas internacionais. 10

23 3.3.1 Choque A perturbação no organismo causada pela passagem de corrente elétrica é chamada de choque elétrico. Os efeitos dessas perturbações variam e dependem do percurso da corrente elétrica pelo corpo, da intensidade e espécie da corrente, do tempo de duração, da frequência da corrente elétrica, da tensão elétrica, estado de umidade da pele e das condições orgânicas do indivíduo [10]. As perturbações no indivíduo podem ser paradas respiratórias, fibrilação ventricular e consequente parada cardíaca, queimaduras profundas produzindo necrose do tecido e morte Potencial de toque É a diferença de potencial que aparece entre um ponto de uma estrutura metálica situado ao alcance da mão de uma pessoa e um ponto no chão situado a um metro de distância da base da estrutura considerada devido à passagem de corrente de falta pela terra, conforme mostra a Figura 9. Figura 9: Potencial de Toque. À esquerda a curva de distribuição de potencial. À direita o circuito elétrico equivalente [13]. A Equação 2 e a Equação 3 representam o potencial de toque. V toque = R ch Rc + I 2 ch (2) 11

24 Onde: R ch = resistência do corpo humano, considerada como 1000 Ω R c = resistência de contato que pode ser considerada 3 vezes a resistividade superficial do solo (ρ s ) I ch = corrente de choque pelo corpo humano, também chamada de corrente limite de Dalziel [14] Ich 0,116 = (para corpo com peso de 50 t Kg), com 0,03s t 3s, sendo t = tempo de duração do choque, e s = segundos. I F = corrente de falta no sistema R 1 e R 2 são as resistências dos trechos de terra considerados. V toque ( ,5 ρs) Ich = (3) Potencial de toque máximo Pela corrente limite de Dalziel, o potencial de toque máximo permissível entre a mão e o pé, para não causar fibrilação ventricular, é: V toque máximo = ( ,5 ρs) 0,116 t (para corpo com peso de 50 Kg) Potencial de passo É a diferença de potencial que aparece entre dois pontos situados no chão, distanciados de um metro, devido à passagem de corrente de falta pela terra, conforme mostra a Figura

25 Figura 10: Potencial de Passo. À esquerda a curva de distribuição de potencial. À direita o circuito elétrico equivalente [13]. A Equação 4 e a Equação 5 representam o potencial de passo. ( Rch + Rc) Ich Vpasso 2 = (4) Fazendo R c = 3ρ s, tem-se: V passo ( ρs) Ich = (5) Potencial de passo máximo Novamente pela corrente limite de Dalziel, o potencial de passo máximo permissível pelo corpo humano, para não causar fibrilação ventricular, é: V = ( s) passo. máximo ρ 0,116 t (para corpo com peso de 50 Kg) Medição de Potencial de Toque e Passo Segundo a norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), NBR [11], a medição dos valores das tensões de passo e toque é realizada usando o método de queda de potencial, de forma semelhante à medição da resistência da rede geral de terra, exceto pelo fato do eletrodo de potencial estar localizado dentro da malha de aterramento e o seu deslocamento ser de metro em metro. 13

26 São levantados perfis de tensão de passo e toque próximos a equipamentos que são normalmente manuseados por operários dentro da subestação. A tensão de passo é calculada como a diferença de potencial entre duas placas ou hastes metálicas em contato com o solo e separadas por uma distância de 1 metro (m). A tensão de toque é medida entre a parte metálica do equipamento ligado à malha de aterramento e a placa ou haste alocada a 1 m de distância do equipamento sob teste. A Figura 11 e a Figura 12 mostram o procedimento para medições de potencial de passo e toque. Figura 11: Medição do potencial de passo [11]. Figura 12: Medição do potencial de toque [11]. 14

27 O valor real de tensão de toque e passo ao qual está sujeito o pessoal técnico no momento de uma falta é calculado como o produto entre a tensão registrada no ensaio V* e o valor de corrente de malha (I Malha ) correspondente à parcela de corrente de falta dissipada pela malha de aterramento para o solo, informação do projeto de aterramento. O cálculo é feito conforme a Equação 6 e Equação 7: V V toque passo * ( V1 ) I malha * * ( V2 V1 ) I malha = (6) = (7) Onde (V x *) corresponde à tensão quando 1 (um) Ampère de corrente é injetado na malha de aterramento Potencial de transferência É a diferença de potencial entre um ponto do sistema de aterramento e um ponto remoto, devido à passagem de correntes de falta pela terra, localizado a uma distância suficientemente afastada da zona de influência desse sistema [8]. 3.4 RESISTIVIDADE DO SOLO Resistividade elétrica do solo, resistência específica do solo ou, simplesmente, resistividade do solo é a resistência entre faces opostas do volume do solo, consistindo de um cubo homogêneo e isótropo cuja aresta mede uma unidade de comprimento [16]. No projeto de um sistema de aterramento, é de fundamental importância, o conhecimento prévio do valor da resistividade do solo, onde será construído o mesmo. A corrente elétrica pode fluir pelo solo, essa dissipação ocorre porque o solo também é considerado um condutor, de acordo com a sua resistividade. Os solos que apresentam mais baixa resistividade são os que contêm resíduos vegetais, turfosos, em locais pantanosos, nas profundezas dos vales e nas margens de rios. Os solos que apresentam os mais altos valores de resistividade são os arenosos, os rochosos, em locais altos e desprovidos de vegetação, nos desertos, etc. 15

28 Vários fatores influenciam na resistividade do solo. Entre eles, podem-se ressaltar: Tipos de solo; Mistura de diversos tipos de solo; Solos com camadas estratificadas com profundidades e materiais diferentes; Teor de umidade; Temperatura; Compactação e pressão; Composição química dos sais dissolvidos na água retida; Concentração dos sais dissolvidos na água retida. As diversas combinações acima resultam em solos com características diferentes e, consequentemente, com valores de resistividade distintos. Assim, solos aparentemente iguais têm resistividades diferentes. Para ilustrar, a Tabela 1 mostra a variação da resistividade para solos de naturezas distintas. Tabela 1: Variação da resistividade em função do tipo do solo [16] Tipos de solo Faixa de resistividades (Ω m) Água do mar menor do que 10 Alagadiço, limo, húmus, lama até 150 Água destilada 300 Argila Calcário Areia Granito Basalto a partir de Concreto Molhado: Úmido: Seco: 3 kω m 2 MΩ m 16

29 O solo é um elemento totalmente heterogêneo, de modo que seu valor de resistividade varia de uma direção a outra, conforme o material de que é composto, segundo a profundidade de suas camadas e idade de sua formação geológica. Uma propriedade importante da terra é a capacidade de retenção de umidade, influenciada por sua vez, pela porosidade do terreno; esta capacidade permite que, durante a passagem de altas correntes, o aquecimento resultante não provoque uma evaporação tão rápida, não perdendo assim a terra, sua propriedade principal que é a de dispersora de correntes, sem elevar os potenciais além dos permissíveis Variação da resistividade do solo Na Figura 13, pode-se notar a variação da resistividade do solo com a umidade, salinidade e temperatura. ρ (Ωm) 5000 ρ (Ωm) Umidade (%) Salinidade (%) ρ (Ωm) temperatura ( C) Figura 13: Variações típicas de resistividade (ρ) do solo [16]. Pelas imagens, é fácil notar que a resistividade decresce com o aumento da umidade, com a dissolução de sais e com o aumento da temperatura (<100 º C). 17

30 3.4.2 Medição da resistividade do solo O principal método de medição da resistividade do solo que usa 4 pontos alinhados, igualmente espaçados, cravados a uma mesma profundidade, é conhecido como: Método de Wenner ou Dos Quatro Pontos. O método considera que grande parte da distribuição de corrente que passa entre as hastes externas ocorre a uma profundidade igual ao espaçamento entre as hastes, ver Figura 14. Figura 14: Penetração da corrente elétrica na profundidade a [10]. A corrente atinge uma profundidade maior, com uma correspondente área de dispersão grande, tendo, em consequência, um efeito que pode ser desconsiderado. Portanto, para efeito do Método de Wenner, considera-se que o valor da resistência elétrica lida no aparelho é relativa a uma profundidade a do solo. Deve-se montar o circuito da Figura 15: Figura 15: Disposição dos eletrodos para o Método de Wenner [16]. Uma corrente elétrica I é injetada no ponto 1 pela primeira haste e coletada no ponto 4 pela última haste. Esta corrente, passando pelo solo entre os pontos 1 e 4, produz potencial nos pontos 2 e 3. Assim, o aparelho processa internamente e indica na leitura, o valor da resistência elétrica. Com o valor da resistência, calcula-se o 18

31 valor da resistividade do solo (ρ). Os espaçamentos recomendados para facilitar o cálculo pelo método de estratificação do solo são: a = 2, 4, 8, 16 e 32 metros. O valor de resistividade é dado pela Equação 8. = 1+ 4πaR 2a 2 2 a + 4b ρ (8) a 2 a + b 2 Onde: R: Resistência medida em Ω. Valor indicado no medidor. a: Distância entre eletrodos adjacentes em m b: Profundidade de cravação em m ρ: resistividade em Ω.m Quando a b é usada a equação simplificada (Equação 9). 10 ρ = 2πaR (9) O método de Wenner considera o solo homogêneo. O valor de resistividade obtido com um determinado espaçamento entre eletrodos é o valor referido à profundidade, igual a esse espaçamento. 3.5 A INFLUÊNCIA DA ESTRATIFICAÇÃO Os solos, na sua grande maioria, não são homogêneos, mas formados por diversas camadas de resistividade e profundidade diferentes. Essas camadas, devido à formação geológica, são em geral horizontais e paralelas à superfície do solo [10]. Existem casos em que as camadas se apresentam inclinadas e até verticais, devido a alguma falha geológica. Entretanto, os estudos apresentados para pesquisa do perfil do solo as consideram aproximadamente horizontais, uma vez que outros casos são menos típicos, principalmente no exato local da instalação da subestação. Como resultado da variação da resistividade das camadas do solo, temse a variação da dispersão de corrente, como mostra a Figura

32 Figura 16: Estratificação do solo em duas camadas [10]. As linhas pontilhadas são superfícies equipotenciais. As linhas cheias são as correntes elétricas fluindo no solo. Para efeito de projeto, o solo é estratificado em camadas horizontais, conforme Figura 17: Figura 17: Solo estratificado em várias camadas [13]. 3.6 CURVAS EQUIPOTENCIAIS É o lugar geométrico, no solo, com relação ao sistema de aterramento, no qual se verificam mesmos potenciais, como é mostrado da Figura 18 à Figura

33 Figura 18: Curvas equipotenciais para Hastes Verticais [12]. Figura 19: Curvas equipotenciais para cabos enterrados horizontalmente [12]. Figura 20: Característica típica de Curvas Equipotenciais em malha de aterramento (linhas tracejadas) [12]. 3.7 EFEITO DA ALTA FREQUÊNCIA NAS MEDIÇÕES A realização de medições com corrente em alta frequência se deve ao fato de permitir uma melhor avaliação do aterramento em condições próximas às condições de surto, como por exemplo, descargas atmosféricas ou chaveamento. O instrumento deve operar numa frequência tal que a impedância indutiva do(s) cabo(s) pára-raios de uma ou mais linhas de transmissão acopladas à subestação, num vão de comprimento normal, seja razoavelmente alta, a ponto de se reduzir o efeito dos aterramentos adjacentes ao que se está medindo [5]. O instrumento também deve ser capaz de afastar as interferências de harmônicas. Na sequência a seguir é dado exemplo de cálculo das impedâncias próprias e mútuas dos cabos pára-raios, comparando as frequências de 60 Hz e 25 khz, a partir da formulação de Carson [17]. O valor de resistividade aparente é 21

34 ρ a =100 Ω.m, e o cabo pára-raio de 3/8 de aço. R e é um valor padrão. Os valores ρ a, R e são valores que para uma ou outra frequência permanecem constantes. Os resultados a seguir foram extraídos do documento Medição de Malha de Terra em subestações energizadas [13]. a) Para frequência de 60 Hz: Cálculo da Z mútua entre cabo pára-raios e fase: Z mútua = R e 659 ρ a + jw 0,0002 Ln (Ω/Km) (10) DMG f Z mútua = 0,060 + j0,446 ou Z = 0,450. e mútua j 82,34 Cálculo da Z própria da malha formada pelo cabo pára-raios e retorno pelo solo: Z própria = R própria. cabopr 2 + R e Z própria = 1,772 + j0,770 ou 659 ρ a + jw 0,0002 Ln (Ω/Km) (11) C f Z = 1,932. e própria j 23,49 Sendo C = ( RMG. do. caboterra. ) Dist. entre. cabos. pára raios = 0, e DMG a distância média geométrica e RMG o raio médio geométrico. b) Para frequência de 25 khz: Cálculo da Z mútua entre cabo pára-raios e fase: Z mútua = R e 659 ρ a + jw 0,0002 Ln (Ω/Km) (12) DMG f Z mútua = 0,060 + j91,020 Z 91,020. ou mútua = e j 89,96 22

35 Cálculo da Z própria da malha formada pelo cabo pára-raios e retorno pelo solo: Z própria = R própria. cabopr 2 + R Z própria = 1,772 + j226,060 ou e 659 ρ a + jw 0,0002 Ln (Ω/Km) (13) C f Z = 226,067. e própria j 89,55 Sendo C = ( RMG. do. caboterra. ) Dist. entre. cabos. pára raios = 0, e DMG a distância média geométrica e RMG o raio médio geométrico Análise das frequências Observa-se que para estes exemplos, a) e b), a impedância mútua aumenta cerca de 200 vezes enquanto que a impedância própria aumenta cerca de 100 vezes, passando o ângulo para próximo de 90. Em su bestações com entradas e saídas de linhas de transmissão dotadas de cabos pára-raios ligados à malha de terra, estima-se, que um equipamento com tal frequência meça somente a resistência da malha de terra em estudo. Dessa forma, o valor obtido tende a ser mais real do que aquele fornecido por equipamentos convencionais de baixa freqüência, para os quais não se desacoplam os cabos pára-raios das instalações. Dessa forma, os parâmetros (Resistência + Reatância) dos cabos pára-raios tendem a infinito, ou seja, passam a ser excluídos da medição em alta freqüência [13]. Os parâmetros que compõem a medição de alta frequência são os mostrados no diagrama da Figura 21: 23

36 Figura 21: Esquema simplificado da medição com alta frequência [11] sendo que: Neste esquema é possível identificar os parâmetros envolvidos na medição, L1K Ln representam a parte indutiva da impedância do circuito formada pelas torres (cabos pára-raios das linhas de transmissão); R1K Rn representam uma parte da resistência do circuito (cabos pára-raios das linhas de transmissão); Rat1K Ratn representam as resistências dos aterramentos de cada torre das linhas de transmissão; L m representa a parte indutiva da impedância da malha de aterramento sob ensaio; R m representa a parte resistiva da impedância da malha de aterramento sob ensaio; LE c representa a parte indutiva da impedância do eletrodo de corrente; RE c representa a parte resistiva da impedância do eletrodo de corrente; RatEc representa a resistência de aterramento do eletrodo de corrente; LE p representa a parte indutiva da impedância do eletrodo de potencial; REp representa a parte resistiva da impedância do eletrodo de potencial; RatEp representa a resistência de aterramento do eletrodo de potencial; 24

37 C 1, C 2, C 3 representam o banco de capacitores que pode ser utilizado para compensar a parte reativa do circuito Compensação da componente reativa O instrumento deve possuir um módulo que permita a introdução de capacitâncias com a finalidade de efetuar a compensação dos reativos presentes na medição. Os capacitores devem ser utilizados de tal forma que a reatância capacitiva seja igual à reatância indutiva, como mostra a Equação 14 e Equação 15: X L = X C (14) 1 wl = (15) w C Onde: X L é a reatância indutiva X C é a reatância capacitiva ω = 2.π.f, sendo f = 25 khz No caso em que uma subestação tenha linhas de transmissão chegando ou partindo, com seus cabos pára-raios ligados à malha de terra, o instrumento com alta frequência deve medir somente a resistência da malha de terra. 3.8 VERIFICAÇÃO DAS CONEXÕES À MALHA DE ATERRAMENTO As falhas em conexões, sejam elas corrosão, roubo de cabo de cobre, solda mal feita ou desconexão, podem causar potenciais elevados por acoplamento capacitivo com o barramento energizado em regime. O surgimento de uma reatância capacitiva na conexão enterrada representa um caminho muito mais fácil que a resistência das isolações. Em equipamentos energizados são verificadas correntes capacitivas entre poucos ma (miliampères) e dezenas de ma, por isso, dependendo da condição e do ponto da interrupção, pode haver risco fatal. A Figura 22 mostra o circuito equivalente para baixa frequência formado entre o lado de alta tensão (AT) do equipamento energizado com sua 25

38 ligação de aterramento aberta, e a malha de terra. As conexões abertas estão representadas pelos capacitores C 1 e C 2. AT BT R 1 Carcaça V 1 C 1 V 2 C 2 R 2 Malha de terra Figura 22: Tensão V 2 entre a malha de terra e equipamento com conexão aberta (C 2 ) [18] Avaliação das conexões dos equipamentos com a malha de terra de uma Subestação Método do alicate terrômetro [6] O método convencional para inspeção e medição da resistência das conexões enterradas precisa da abertura de valetas, ou então é utilizado um multímetro convencional para simples verificação quando a subestação está desenergizada. Este método permite uma avaliação correta da condição de falha ou não do aterramento de equipamentos da Subestação, embora não indique com precisão o grau de corrosão de uma conexão que ainda esteja com boa continuidade. A principal vantagem é a obtenção rápida do estado das conexões enterradas de equipamentos, duas a duas, para fins de comissionamento ou manutenção, dispensando ajustes iniciais para cada leitura. O alicate terrômetro opera aplicando corrente de 1,67 khz, de forma similar à de um TC de bucha invertido, com alimentação pelo seu secundário. Para efetuar a medição de um par de conexões enterradas de dois equipamentos de alta tensão (AT) é necessário curto-circuitar as descidas dos cabos de aterramento, como mostrado na Figura 23. A resistência total medida pelo 26

39 instrumento será o somatório da resistência do cabo de medição e da malha, mais as conexões de ensaio (1 e 2) e as conexões enterradas da malha (3 e 4). Figura 23: Ensaio com alicate terrômetro em estruturas metálicas multiaterradas [18]. No caso acima, a medição mostrará o estado das conexões de aterramento dos equipamentos das fases A e B. A resistência do circuito de medição (cabo mais conexões de ensaio) não ultrapassa 400 mω. A resistência dos cabos de terra e das duas conexões enterradas em boas condições costuma ser inferior a 100 mω. Desta forma, admitindo-se uma tolerância inerente a erros de medição, valores de resistências acima de 0,5 Ω são considerados como indicativos de defeito em pelo menos uma das duas conexões testadas. Ao se constatar um valor anormal, será necessário testar cada uma das duas descidas envolvidas contra uma terceira para saber qual das conexões suspeitas está com defeito Verificação de continuidade entre ligações de equipamentos à malha de aterramento Método de pontos equipotenciais A verificação das ligações de equipamentos à malha de aterramento é realizada utilizando o método de medição de potenciais no solo em instalações energizadas, segundo o anexo G da norma ABNT NBR [11]. Com um terrômetro, injeta-se uma corrente de baixa amplitude e alta frequência, entre um ponto de terra remoto (eletrodo auxiliar de corrente) e diferentes pontos conectados às malhas de aterramento das usinas e das subestações. 27

40 O eletrodo de potencial de referência utilizado para a medição localiza-se na mesma direção e sentido que o eletrodo auxiliar de corrente, a uma distância fora da influência do ponto de terra remoto e as malhas do sistema de aterramento. Os potenciais dos pontos de conexão ao sistema de aterramento da subestação são medidos em relação a esse eletrodo de referência. Se o sistema de aterramento for composto por diferentes malhas de aterramento interligadas, encontra-se o menor valor de potencial associado a cada malha e designa-se como x esse valor. Para potenciais entre x e 1,25x considera-se que a conexão do equipamento à malha em questão é satisfatória. Ver a Figura 24, extraída do documento Metodologias utilizadas pelo LACTEC para verificação de sistemas de aterramento em instalações energizadas [15]. Figura 24: Procedimento para verificação das ligações de equipamentos à malha de aterramento [15]. 28

41 4 PARTE EXPERIMENTAL Foram selecionadas três subestações da Copel para a realização das medições: SE Arapoti 138 kv (localizada na cidade de Arapoti/PR), SE Xisto 34,5 kv (localizada na cidade de São Mateus do Sul/PR) e SE Fazenda Rio Grande (localizada na cidade de Fazenda Rio Grande/PR, região metropolitana de Curitiba). 4.1 MATERIAIS E MÉTODOS Materiais e equipamentos Os equipamentos utilizados para os dois critérios de medição são apresentados na Tabela 2: Tabela 2: Descrição dos equipamentos utilizados. Alicate terrômetro miliamperímetro Marca: MINIPA Modelo: ET-4300 número de série: 01654; Conjunto de cabos e hastes para medição de aterramento; Marca: LACTEC Modelo: 1 GPS Marca: Garmin Modelo: Oregon 300 Terrômetro Marca: Alstech Modelo: STM-02 e STM-04 número de série: AL AL400011; 29

42 Terrômetro Marca: Megabras Modelo: TM-25m Metodologia Para o método do alicate terrômetro (avaliação das conexões dos equipamentos com a malha de terra) foi utilizado o Alicate Terrômetro MINIPA e o conjunto de cabos e hastes (equipamentos mostrados na Tabela 2). Para o método de verificação de continuidade entre ligações de equipamentos à malha de aterramento (método de pontos equipotenciais) utilizou-se o terrômetro protótipo marca Alstech, modelo STM-02 e o terrômetro Megabras, modelos TM-25m (equipamentos mostrados na Tabela 2). Foi usado o método de medição de potenciais com injeção de baixa corrente em alta frequência, segundo a norma ABNT NBR [11], com as instalações energizadas. Utilizaram-se circuitos de medição de corrente e potencial posicionados na mesma direção, condição em que a corrente de teste e a elevação de potencial, podem propiciar acoplamento mútuo entre os circuitos. Para atenuar/eliminar esse acoplamento utilizou-se cabo blindado no circuito de corrente garantindo a separação entre os condutores dos circuitos de corrente e de potencial. O eletrodo de corrente Ec foi composto de quatro eletrodos de aço cobreado de 0,60 m de comprimento por 14,5 mm de diâmetro dispostos em linha e separados de 1 m, interligados por condutor de cobre de 4 mm 2 de seção. O eletrodo de potencial Ep foi composto de um eletrodo de cobre de 0,6 m de comprimento por 14,5 mm de diâmetro. Neste último caso, considerando a dificuldade real em se manter o espaçamento entre o terminal de corrente e a rede de terra, em valores tais que se obtivesse uma região remota livre das influências da malha de terra e a discreta ocorrência de regiões com baixa resistividade de solo que permitissem a confecção de bons aterramentos para os eletrodos auxiliares de corrente e potencial. 30