INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE ATERRAMENTO ELÉTRICO

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1 1 Introdução UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE ATERRAMENTO ELÉTRICO O aterramento é, por definição, a conexão física com o solo efetuada com o auxílio de materiais condutores de eletricidade, em geral, denominados eletrodos. Assim, para compor o sistema de aterramento são empregadas hastes de aço revestidas de cobre ou zinco, cilíndricas ou tipo cantoneiras (perfis), cordoalhas de cobre, fitas metálicas etc., além de ferragens de pilares de concreto armado da fundação (estacas) e ferragens de vigas baldrames. A Figura 1 ilustra um sistema de aterramento simples com hastes dispostas verticalmente. Figura 1 Perfil do solo mostrando hastes verticais conectadas entre si e enterradas. cordoalha de interligação (eletrodo) caixa de acesso haste vertical (eletrodo) Os aterramentos podem ser classificados em três grupos principais: Aterramento de proteção; Aterramento funcional; Aterramento de trabalho. O aterramento de proteção é construído com a finalidade de proteger pessoas contra choques elétricos por contatos indiretos. Esse aterramento consiste da ligação à terra das massas e dos elementos condutores estranhos à instalação elétrica (com risco de energização acidental). Os objetivos desse aterramento são os seguintes: (1) limitar o potencial entre massas, entre massas e elementos condutores estranhos à instalação elétrica, e entre os dois e a terra, a um valor seguro em volts para funcionamento seja em condição normal ou anormal; (2) proporcionar às correntes de falta um caminho de retorno de baixa resistência para a terra, de modo que o dispositivo de proteção (disjuntor, fusível ou interruptor de corrente diferencial residual DR) possa atuar adequadamente. O aterramento funcional tem por finalidade proporcionar uma referência fixa para a grandeza tensão elétrica e visa o correto funcionamento da instalação. Consiste da ligação à terra de um dos condutores vivos do sistema, em geral, o condutor neutro, para atender os seguintes objetivos: (1) definir e estabilizar a tensão da instalação em relação à terra durante o funcionamento; (2) limitar sobretensões advindas de manobras e descargas atmosféricas. 1

2 O aterramento de trabalho é o aterramento de uma parte da instalação elétrica, que está normalmente sob tensão, mas é posta temporariamente sem tensão para que se possa realizar uma tarefa com segurança. Esse aterramento é temporário. Figura 2 Aterramento temporário com equipotencialização dos condutores de um circuito. O sistema de aterramento, independente de sua finalidade, deve atender os seguintes requisitos: prover um caminho de baixa resistência para as correntes elétricas; apresentar uma adequada capacidade de dispersão das correntes no solo; ser capaz de reduzir as tensões de surto que eventualmente por ele se propaguem; e suportar a corrosão de sais e ácidos presentes no solo. 2 Funções do aterramento elétrico Cada sistema de aterramento tem sua função no conjunto da instalação elétrica quer em condição operacional normal quer em condição de defeito (por exemplo, o curto-circuito), ou quando a edificação é atingida por descarga atmosférica. Por exemplo, na subestação da entrada de serviço de uma unidade consumidora ou na rede secundária de distribuição, é essencial o aterramento do transformador para proporcionar a referência da tensão entregue ao consumidor. Isto é importante porque a tensão elétrica é uma grandeza relativa, ou seja, sempre que se diz, por exemplo, 220volts, significa 220volts entre uma das três fases (A, B ou C) e o condutor do neutro (N). Para que se tenha 220volts da fase para o neutro, o neutro precisa estar solidamente aterrado no ponto de entrada da energia elétrica. A Figura 3 ilustra o esquema de ligação dos enrolamentos de um transformador de distribuição (ou de consumidor) com o secundário ligado em Y aterrado. Nessa figura, o condutor neutro tem origem no ponto aterrado que é o centro do Y. Figura 3 Diagrama dos enrolamentos de um transformador trifásico com o aterramento do neutro. (ligação delta) (ligação estrela) média tensão baixa tensão fase C neutro aterramento do neutro 2

3 Outra função importante de um sistema de aterramento é a de assegurar a pronta atuação de dispositivos de proteção contra sobrecorrentes. Isto é assim porque os dispositivos de proteção devem atuar em condição normal de operação da instalação e, obrigatoriamente, atuar em condições de curto-circuito ou até mesmo de sobrecarga. No entanto, isto depende do esquema de aterramento da instalação. Há três esquemas possíveis: TN, TT e IT. Por exemplo, no esquema TN a atuação da proteção independe do valor da resistência do aterramento. A Figura 4 mostra o esquema de aterramento TN e o percurso da corrente, onde se nota que a corrente I F não passa por R A. Figura 4 Circulação da corrente de defeito em instalação com esquema TN. D C R Φ I I F a U o N R PE PE LEP falta R A Na Figura 4, os símbolos significam o seguinte: D dispositivo de proteção (por exemplo, disjuntor); U 0 tensão fase-neutro (por exemplo, 220volts); C, N condutor da fase (e R Φ sua resistência) e condutor neutro (em geral, de cor azul); PE condutor terra (PE = protection earth, em geral, de cor verde) e R PE sua resistência; M massa (carcaça metálica de um equipamento ou carga); I F intensidade da corrente de defeito (ou de falta) em ampères; falta indica o ponto onde ocorreu o defeito (por exemplo, fio desencapado); LEP barra de cobre situada no quadro de distribuição (LEP = ligação equipotencial principal); resistência do sistema de aterramento (neutro e terra ligados no mesmo aterramento). R A Por outro lado, no esquema TT (e também no IT), a intensidade da corrente de defeito dependerá da característica elétrica do aterramento. Nesses casos, o sistema de aterramento é parte integrante do circuito por onde circulará a corrente de defeito. A Figura 5 ilustra a circulação da corrente de defeito (I F ) através dos aterramentos da fonte e da carga (de resistências R A e R B ). Figura 5 Circulação da corrente de defeito pelos aterramentos da fonte e da carga em instalação com esquema TT. D M R A I F R B 3

4 A função de escoamento e absorção das correntes de descargas atmosféricas refere-se especificamente ao subsistema aterramento do Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (cuja sigla é SPDA) e à malha de referência de sinal normalmente presente em edificações que contêm equipamentos de Tecnologia da Informação (TI). A Figura 6 ilustra os três principais componentes de um SPDA: captor, descida e aterramento. Figura 6 Três componentes de um SPDA de uma edificação com destaque para o aterramento (localizado abaixo do nível do solo). A Figura 7 exemplifica formatos ou configurações geométricas de sistemas de aterramento possíveis de serem construídos dependendo da aplicação ou finalidade. Figura 7 Exemplos de sistemas de aterramento. ½ m hastes em triângulo haste anel metálico nu e hastes malha de condutores e hastes (a) (b) (c) A Figura 7(a) apresenta o arranjo A recomendado pela norma de para-raios (NBR-5419:2005) para edificações de até 25m de perímetro; a Figura 7(b) mostra o arranjo B, indicado para SPDA em edificações com perímetro acima de 25m; a Figura 7(c) mostra uma malha composta de condutores enterrados no solo normalmente a ½ metro de profundidade, usual em aterramentos de subestações. 4

5 A Figura 8 mostra uma vista de cima da malha de aterramento de uma subestação abrigada, que é exigida para instalações elétricas de consumidores que recebem energia em média tensão. Figura 8 Malha de aterramento de dimensões padronizadas em uma subestação abrigada. ponto de entrega e proteção transformador cabo de aterramento haste de aterramento 3 Medição da resistência de um sistema de aterramento Um dos requisitos do sistema de aterramento é o valor de sua resistência elétrica. Um procedimento que pode indicar a qualidade de um aterramento existente (isto é, aquele já construído) é a medição de sua resistência de terra. Tal resistência é designada por R T e sua unidade é o ohm (Ω). O procedimento para medição da resistência de terra é o recomendado pela NBR- 5410:2004, que trata do método da queda de potencial (ou método dos três terminais), e o instrumento utilizado é conhecido como Terrômetro. Considere o desenho da Figura 9. Figura 9 Disposição das hastes de prova e conexão com os terminais do Terrômetro. T: aterramento a medir T 1 : eletrodo de corrente T 2 : eletrodo de tensão vermelho azul verde T 1 T 2 T aterramento elétrico cuja resistência R T é incógnita Para a realização da medição da resistência de terra, recomenda-se: usar Equipamentos de Proteção Individual (EPI), como calçados e luvas; não efetuar medições em condições 5

6 atmosféricas adversas; assegurar que animais e pessoas estranhas não se aproximem do local; assegurar um bom contato das hastes de prova com o solo e; anotar as condições do solo. 4 Construção de um aterramento elétrico simples O projeto e a execução de um aterramento elétrico iniciam com a medição e análise da resistividade elétrica do solo onde se pretende construir o sistema de aterramento. Supondo-se que tais estudos já tenham sido realizados previamente para um dado local, dentre as opções disponíveis e considerando a destinação e a finalidade do aterramento, seleciona-se a configuração geométrica e a quantidade de eletrodos. Para a finalidade deste exemplo (estritamente didática), descreve-se a construção de um aterramento no terreno das Escolas de Engenharias da UFG, no setor Leste Universitário, em Goiânia, Goiás, e a configuração escolhida é o triângulo com hastes verticais em seus vértices. A Figura 10 apresenta em um croqui do aterramento elétrico ora descrito. Figura 10 Disposição das hastes enterradas verticalmente nos vértices de um triângulo. A Figura 11 mostra etapas de construção do sistema de aterramento. Figura 11 Etapas do processo de construção do aterramento: (a) perfuração dos buracos; (b) perfuração das valas; (c) sistema de aterramento concluído. (a) (b) (c) 6

7 As hastes utilizadas são de aço de alta camada de cobre por eletrodeposição (254µm de espessura), também conhecidas como copperweld, com as seguintes dimensões: ⅝ de polegada de diâmetro (ou seja, diâmetro de 15,875mm, perfazendo 198mm 2 de área de seção reta) e comprimento 3m. Utilizou cordoalha de cobre de 25mm 2 na interligação entre hastes e conexão por meio de solda exotérmica (usando-se o cadinho para a realização da solda). A vala construída para a inserção das cordoalhas de interligação das hastes tem profundidade de ½ metro e a distância entre vértices do triângulo mede 3m. Conforme Figura 10, no vértice do triângulo onde o condutor de aterramento é conectado aos eletrodos do aterramento deve ser prevista uma caixa de alvenaria (ou premoldada) com tampa de acesso para fins de medição e inspeção com as seguintes dimensões: se for quadrada, deve possuir lados de pelo menos 250mm, profundidade de 250mm e paredes com espessura igual a 25mm. A caixa deve possuir furos circulares de 25mm de diâmetro em suas faces laterais, com centros localizados a 150mm de altura a partir do piso inferior. O fundo da caixa deve ser preenchido com brita número 1. No aterramento construído para esse experimento utilizou-se para caixa de acesso um tubo cilíndrico de cimento que atende as medidas mínimas citadas. A Figura 12 mostra o interior da caixa de medição/inspeção e a conexão entre haste e condutores. Figura 12 Vista de cima da caixa de acesso ao aterramento. 5 Bibliografia Antonio César Baleeiro Alves. Notas de Aulas da Disciplina Aterramentos em Sistemas Elétricos. Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação Pedro M. N. Rosa; Ulysses C. de Castro. Medições de Resistividade do Solo, Estratificação e Construção de Aterramento para fins Didáticos. Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação. Orientador: Prof. Dr. Antônio César Baleeiro Alves. Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação p. 6 Contato Web site: address: abaleeiro@gmail.com 7