ENGENHARIA ELÉTRICA PROJETO DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS II Prof.: Luís M. Nodari luis.nodari@ifsc.edu.br http://www.joinville.ifsc.edu.br/~luis.nodari/ 1
Aterramento Elétrico 2
Coordenação e Proteção de Circuitos Objetivos do Sistema de Aterramento Tipos de Aterramento A Impedância de Aterramento Resistividade do Solo Fatores influenciam na resistividade do solo Resistência de Aterramento Medição da resistividade do solo Medição de Aterramento Elétrico Evitando erros de medição Bibliografia 3
Aterramento Elétrico: Consiste em uma ligação elétrica de um sistema físico seja, elétrico, eletrônico ou corpos metálicos ao solo. Conexão com a terra: A conexão com a terra é a interface que conecta eletricamente o sistema de aterramento e toda a terra. 4
Os objetivos principais de um sistema de aterramento são: Obter uma resistência de aterramento a mais baixa possível, para correntes de falta a terra; Limitar potenciais produzidos: Manter os potenciais produzidos pelas correntes da falta dentro de limites de segurança, visando a segurança dos seres vivos e proteção de equipamentos; Fazer que equipamentos de proteção sejam mais sensibilizados e isolem rapidamente as falhas à Terra; Proporcionar um caminho de escoamento para terra de descargas atmosféricas; Usar a terra como retorno de corrente no sistema elétrico. Escoar as cargas estáticas geradas nas carcaças dos equipamentos. 5
Principais funções de um sistema de aterramento elétrico: Proteger os usuários de equipamentos das descargas atmosféricas, através de um caminho de baixa impedância para a terra. Conduzir cargas estáticas equipamentos para a terra. Facilitar o funcionamento dos dispositivos de proteção (fusíveis, disjuntores, DPSs, IDRs, etc.), através da corrente desviada para a terra. Ponto neutro de transformadores 3 φ Y. Eletrodo de retorno de circuitos elétricos CA (MRT). Eletrodo de retorno em sistemas CC. Plano de terra de sistemas de comunicação. Contra interferência eletromagnética. acumuladas nas carcaças das máquinas ou 6
Aterramento de Sistema e Sistema de Aterramento Sistema de aterramento: sistema físico requerido. Aterramento de sistemas: forma como o sistema elétrico é conectado ao solo. Sistema isolado: não existe conexão entre o sistema elétrico e o solo. acoplamento se faz prioritariamente de forma capacitiva. nível das sobretensões possíveis é elevado. dificuldades na localização de eventuais faltas para terra. Sistema solidamente aterrado: alguns pontos do sistema elétrico são conectados diretamente à terra. valores elevados de corrente de falta Sistema aterrado por impedância: aplica-se uma impedância (resistência ou reatância) entre o sistema elétrico e seu aterramento físico, limitando o valor da corrente de eventual falta, mantendo ligação galvânica ou condutiva ao solo. Impõem uma condição intermediária entre as duas primeiras, concentrando as vantagens de cada uma delas. 7
Terra: Massa condutora de solo que envolve o eletrodo de aterramento; Eletrodo de aterramento: elemento condutor metálico ou conjunto de elementos condutores interligados, em contato direto com a terra de modo a garantir ligação com o solo; Condutor de ligação: condutor empregado para conectar o objeto a ser aterrado ao eletrodo de aterramento ou para efetuar a ligação de dois ou mais eletrodos; Eletrodos de aterramento isolados: eletrodos de aterramento suficientemente distantes uns dos outros para que a corrente máxima susceptível de ser escoada por um deles não modifique sensivelmente o potencial do outro Eletrodos de aterramento interligados: eletrodos de aterramento que possuam ligação (intencional ou não) e que interagem eletricamente; 8
Sistema de aterramento: sistema formado por um ou mais eletrodos de aterramento, isolados ou não, visando atender necessidades funcionais ou de proteção; Terra remoto: massa condutora de solo distante o suficiente de qualquer eletrodo de aterramento para que seu potencial elétrico seja sempre igual a zero; Elevação de potencial de terra (EPT): diferença de potencial entre o eletrodo de aterramento e o terra remoto quando por este eletrodo flui corrente para a terra; Resistência equivalente de aterramento (Req): relação entre a elevação de potencial de terra de um eletrodo e a corrente por este injetada no solo; 9
Um sistema de aterramento é formado por três componentes principais: As conexões elétricas que ligam um ponto do sistema aos eletrodos: Podem ser feitas com conectores prensados, parafusados ou com soldas, exotérmica ou foscooper. Os eletrodos de aterramento ou haste de aterramento: normalmente, é feita de uma alma de aço revestida de cobre. Seu comprimento pode variar de 1,5, 2,5m (mais utilizadas) e 4,0m. A terra que envolve os eletrodos. 10
Tipos de Aterramento: Hastes verticais : usadas principalmente quando as camadas mais profundas do solo têm menor resistividade, e que são muito práticas, por serem de fácil cravação; 11
Eletrodos horizontais: enterrados usualmente a profundidade da ordem de 0,5 metros, são usados principalmente quando a maior preocupação é o controle do gradiente de potencial na superfície do solo. 12
A Impedância de Aterramento: Oposição oferecida pelo solo à injeção de uma corrente elétrica no mesmo, através dos eletrodos, e se expressa quantitativamente por meio da relação entre a tensão aplicada ao aterramento e a corrente resultante. A reatância longitudinal (de natureza indutiva) e a susceptância transversal (de natureza capacitiva) podem ser desprezadas em baixa frequência, (são ambas proporcionais à frequência). Também, pode se desconsiderar a resistência longitudinal, normalmente a queda de tensão ao longo do eletrodo é desprezível. 13
A circulação de corrente através dos componentes do aterramento depende do RL do conjunto cabos e conexões e do GC do conjunto eletrodo e solo. A condutância e capacitância deste sistema gera campo elétrico no solo. O campo elétrico no solo, determina o fluxo de correntes condutiva e capacitiva no meio. A relação entre as correntes não depende da geometria dos eletrodos, mas da relação σ/ω, Onde: σ condutividade do solo ω frequência angular ρ resistividade do solo permissividade do solo Como Já visto, a frequência do sinal aplicado ao sistema pode mudar muito seu comportamento e deve ser levado em consideração em projetos específicos. (telecomunicações). 14
Queda de tensão no solo em função da circulação de corrente elétrica e sua resistividade Campo elétrico gerado no solo em função da circulação de corrente elétrica no solo 15
Resistividade do Solo Em baixas frequências, a reatância longitudinal e a susceptância transversal do sistema podem podem ser desprezadas. Circuito equivalente altas frequências Circuito equivalente baixas frequências A Resistência de Aterramento (RT) é equivalente à solução do conjunto de condutâncias. 16
Em baixa frequência o valor da resistência de aterramento pode ser aproximado pela relação entre a tensão aplicada a um aterramento e a corrente resultante. Entende-se por tensão, o potencial adquirido pelo aterramento referido ao infinito de terra. A resistência de aterramento pode afetar o sistema de duas formas: Influência ativa : o seu valor pode ser determinante na limitação do valor da corrente que flui para o solo; Influência passiva: deve-se considerar que o fluxo de corrente pelo aterramento resulta numa elevação de potencial no solo, transmitida ao ponto de aterramento do sistema. 17
Resistividade do Solo A resistência elétrica (R), equivale a medida entre as faces opostas de um cubo de dimensões unitárias (aresta l de 1 m, área das faces A=1m2), preenchido com este solo. (Ω.m) ρ - resistividade do solo R - resistência elétrica A área l - distância Por tanto, a Resistência de Aterramento (Rt) é diretamente proporcional à resistência do solo (ρ), em que os eletrodos estão colocados. A constante de proporcionalidade K, deriva dos efeitos geométricos das dimensões dos eletrodos. 18
Fatores influenciam na resistividade do solo Tipo de Solo: Os tipos de solo não são claramente definidos. Pedem ser encontrados valores diferentes de resistividade para a mesma variedade de solo de localidades distintas. Por tanto, não é possível atribuir-se um valor específico de resistividade a um tipo de solo e sim, caracterizar faixas de valores para os diferentes tipos de solo. 19
Umidade do Solo: A resistividade do solo pode variar bastante de acordo com sua umidade, sendo que o aumento da umidade do solo implica na diminuição da sua resistividade. 20
Concentração e tipos de sais dissolvidos na água: A resistividade da água é varia de acordo com a quantidade e magnitude dos pelos sais dissolvidos em sua composição. (condição eletrolítica). A resistividade do solo é influenciada pela quantidade e pelos tipos de sais dissolvidos na água retida no mesmo. Relação entre a quantidade de sal adicionado à um solo arenoso, com umidade de 15% (percentual em peso) e temperatura de 17ºC. 21
Compacidade do Solo: Um solo mais compacto apresenta uma maior continuidade física, o que proporciona um menor valor de resistividade. O aumento de pressão sobre o solo ocasiona maior compacidade, com redução de sua resistividade. Granulometria do solo: Deve-se considerar essa influência da granulometria do solo em dois aspectos: - capacidade de retenção de água nas camadas do solo; - continuidade física do solo. - granulometria maior tende aumentar a resistividade >menor capacidade de retenção de água no solo; >menor contato entre os grãos resultando em menor continuidade elétrica. 22
Temperatura do Solo - Temperatura elevada: provoca maior evaporação, diminuindo a umidade do solo, tendendo a aumentar sua resistividade. - Temperatura muito baixas: água possui alto coeficiente negativo de temperatura, a resistividade tende a crescer para uma diminuição da temperatura. ** Ensaio com variação de temperatura e umidade constante (resultados práticos) 23
Outras características do solo: A composição do solo é geralmente estratificada em várias camadas de formação diferente (consequentemente de diferentes resistividades) superpostas. O solo apresenta características anisotrópicas, quando por exemplo camadas mais profundas afloram em locais determinados, ocasionando descontinuidades na superfície. A resistividade pode variar dependendo da região considerada e, para tratar do solo de um certo local, passa-se a atribuir-lhe o valor médio das resistividades das diversas partes que o compõem, denominado resistividade efetiva deste solo. 24
Com a variação da resistividade das camadas do solo, tem-se a variação da dispersão de corrente. Um solo heterogêneo apresenta o comportamento dos fluxos de dispersão de correntes em torno do aterramento de acordo com suas camadas. 25
Resistência de Aterramento Natureza da Resistência de Aterramento - Resistência própria do eletrodo e das ligações elétricas ao mesmo. Normalmente muito baixa. - Resistência de contato entre o eletrodo e a terra adjacente ao mesmo. Normalmente muito baixa. - Resistência da terra circunvizinha. Determina o valor da resistência de um aterramento. Depende basicamente da resistividade do solo e da distribuição de corrente do eletrodo, que é determinada principalmente pela forma e dimensão do mesmo. 26
Eletrodos Elementares: Eletrodo Hemisférico na Superfície do Solo Superfície do solo Eletrodo hemisférico metálico Comportamento V e I em relação ao solo: 27
A superfície esférica Quando indicamos o raio da esfera pela letra R e o centro da esfera pelo ponto (0,0,0), a equação da esfera é dada por: A área total da Esfera é dada por: Em um Eletrodo hemisférico tem-se: 28
Esfera de influência influência de um Eletrodo Eletrodo Simples: Cada fatia do solo apresenta um certo valor de resistência. A soma da resistência de todas as fatias até uma distância infinita resulta no valor da Resistência de Aterramento. Gradientes de Potencial 29
Considerendo uma semi-esfera metálica de raio a, o terra como sendo ideal em uma casca semi-esférica metálica de raio b. Aplicando-se uma diferença de potencial U entre os eletrodos a e b, pode-se obter a resistência de aterramento R entre a e b quando b tende a infinito. 30
A corrente I será radial e, do eletromagnetismo, pode-se igualar a tensão U com a integral do campo elétrico, então: -->> 31
Nas tabelas, a seguir, são apresentadas expressões para cálculo da resistência de aterramento de algumas configurações típicas de aterramento. 32
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Principais condições para garantir um bom sistema de aterramento: Baixa indutância - eletrodos ou hastes de aterramento de qualidade. Baixa Impedância tratamento de solo, baixa resistividade e consequentemente garantia de condutividade elétrica entre haste e solo. Sistema de aterramento mantido sempre úmido. Garantia de contato elétrico conectores que não permitam queda de tensão. 35
Medição da resistividade do solo: Método dos Quatro Eletrodos ou Método de Wenner Um medidor com 4 eletrodos - Aplica uma corrente conhecida ente ao eletrodos de corrente, externos. Mede a DDP entre os eletrodos de potencial, internos. Calcula e informa o valor da resistência do solo nas condições de medição, com isso é possível obter-se a resistividade do solo. 36
A geometria do esquema de medição, tamanho das hastes e distância entre elas pode interferir no resultado da medição da resistência elétrica encontrada no solo. Contudo, a resistividade resultante pode ser aproximada por: 37
Medição de Aterramento Elétrico Terrômetro: Possui 2 hastes de referência e uma garra de contato ao aterramento a ser medido. O mesmo aplica uma corrente entre a ponteira de corrente, a mais distante, e a ponteira de contato ao aterramento, ao mesmo tempo que mede a diferença de potencial entre a ponteira de potencial, intermediária, e a ponteira de contato ao aterramento. Baseado na corrente aplicada e na DDP medida, o terrômetro calcula e apresenta a resistência resultando do respectivo sistema de aterramento. 38
Terrômetro: Esquema de ligação para medição Circuito Equivalente 39
Evitando erros de medição: Para evitar erro de medição deve-se prevenir a interferência do sistema de aterramento ao sistema de medição do terrômetro. Distância eletrodo C2 maior que 6vezes o comprimento da maior haste utilizada no aterramento. Uma forma de conferir é montando um gráfico com as leituras de resistência de aterramento e a partir da variação de posição da ponteira de potencial, montar um gráfico para entender a variação da resistência de aterramento resultante. 40
BIBLIOGRAFIA MAMEDE FILHO, João. Instalações Elétricas Industriais. 8ª Edição, Editora LTC, Rio de Janeiro, 2010. CREDER, Hélio. Instalações Elétricas, 15ª Edição, Editora LTC, Rio de Janeiro, 2007. COTRIM, Ademaro. Instalações Elétricas, 5ª Edição. Editora Pearson Prentice-Hall, São Paulo, 2009. Norma Técnica ABNT NBR ISO 5410: 2008 FILHO, S. V. Aterramento Elétrico, 1ª Edição, Belo Horizonte, Editora Art Liber, 2002. GARCIA, C. H. F. P. CESP Aterramento dos Sistemas de Distribuição (Medições, Projetos e Cálculos), Centro de Treinamento de Ilha Solteira, 1990. KINDERMANN, G.; CAMPAGNOLO, J. M. Aterramento Elétrico, 2 edição, Porto Alegre, Editora SAGRA-DC LUZZATTO, 1992. LEON, J. A. M. Sistemas de Aterramento, 3 edição, São Paulo, Editora Erico do Brasil, 1980. LEITE, C. M.; FILHO, M. L. P. Técnicas de Aterramentos Elétricos, 2aEdição, São Paulo, Editora Oficina de Mídia, 1996. CAVALIN,Geraldo Instalações Elétricas Prediais, 16ª edição, São Paulo, Ed. Érica Ltda 41