Avaliação Experimental da Variação Sazonal da Resistividade do Solo 1 Bruno P. Jácome, Lêda S. C. Batista, Marco Aurélio O. Schroeder, Lane M. R. Baccarini, Gleison F. V. Amaral Universidade Federal de São João del-rei UFSJ Departamento de Engenharia Elétrica DEPEL Laboratório Integrado de Pesquisas Eletromagnéticas LAIPE São João del-rei, Brasil E-mail: schroeder@ufsj.edu.br Resumo Este artigo descreve os principais fatores que influenciam no valor da resistividade do solo e na sua estratificação, analisa a variação da resistividade do solo em função das estações do ano, utilizando dados experimentais medidos localmente. Alguns dados meteorológicos como temperatura e precipitação foram utilizados no intuito de se estabelecer relações entre umidade e resistividade, avaliando até que ponto as precipitações influenciam no valor da resistividade do solo. Os resultados mostram que a resistividade do solo varia razoavelmente com as estações do ano e, consequentemente, com o período de seca e de chuva em uma região. Dessa forma, é preciso estar atento para essa particularidade para que o aterramento em determinado sistema elétrico possa ser feito de maneira satisfatória. Palavra-chave Resistividade do Solo, variação sazonal da resistividade, estratificação do solo, Método de Frank Wenner. O I. INTRODUÇÃO s sistemas elétricos têm passado, em níveis mundiais, por grandes transformações em sua estrutura de mercado, pois a eletricidade está assumindo cada vez mais a função de vetor principal de suprimento das necessidades energéticas que asseguram o crescimento sustentado dos países. Ademais, asseguram também a competitividade de suas economias pelas suas características de confiabilidade, eficiência, disponibilidade e proteção ambiental, além da rapidez na recuperação de falhas e capacidade de transferência instantânea de grandes blocos de energia a grandes distâncias, propriedade que nenhuma outra forma ou fonte, atualmente em uso, possui [1]. Para a operação correta desses sistemas elétricos, com uma adequada continuidade de serviço, desempenho seguro do sistema de proteção e garantia dos limites de segurança pessoal, é de fundamental importância uma atenção especial aos sistemas de aterramento, que desempenham importantes funções no sistema elétrico. Dentre essas principais funções pode-se citar: a obtenção de uma resistência de aterramento mais baixa possível, para ser usada como uma referência para todos os sinais do sistema associado; a eliminação dos efeitos de correntes indesejadas; a proteção de equipamentos e seus usuários das descargas atmosféricas, proporcionando um caminho de escoamento alternativo para a terra; o escoamento de cargas estáticas acumuladas nas carcaças dos equipamentos para a terra; a facilidade de funcionamento dos dispositivos de proteção (fusíveis, disjuntores, etc.), isolando rapidamente as falhas à terra [2], [3], [4] e [5]. Um dado muito importante na elaboração do projeto de aterramento, é o conhecimento das características do solo. O solo possui propriedades elétricas que são determinantes para o dimensionamento dos condutores, pois é o meio no qual ficarão imersos as hastes ou eletrodos de aterramento. A resistividade de um solo é definida como a resistência medida entre duas faces opostas de um cubo, de composição homogênea, com um metro de aresta. A sua unidade é dada por Ω.m, [2], [3] e [5]. São vários os fatores que podem influenciar a resistividade do solo, tais como: o tipo de solo, a mistura de diversos tipos de solo, os solos constituídos por camadas estratificadas com profundidades e materiais diferentes, o teor de umidade, a temperatura, a compactação e pressão, a composição química dos sais dissolvidos na água retida e a concentração de sais dissolvidos na água retida etc. [2]. Esses fatores ou a combinação deles, resultam em solos com características e resistividades diferentes. Além disso, a resistividade do solo acompanha os períodos de seca e chuva de uma região. Sendo assim, os aterramentos elétricos tendem melhorar a qualidade com o solo úmido, e pioram no período de seca. Este trabalho tem como base estudar a variação da resistividade do solo ao longo do ano. A. Resistividade do Solo II. DEFINIÇÕES A resistividade de um material pode ser descrita como sendo uma característica ligada à sua composição físicoquímica, associada a quanto o mesmo se opõe à passagem de corrente elétrica. Conceitualmente, a resistividade é definida como a resistência elétrica (R) medida entre as faces opostas de um cubo de dimensões unitárias preenchidas com este solo, sendo sua unidade Ω.m, dada pela equação 1[5]: R = ρ l (1) A Como a área e o comprimento são unitários, a equação 1 se resume a uma igualdade. O valor da resistência obtida é numericamente igual à resistividade do solo. Porém, apesar da simplicidade do método, o mesmo pode apresentar resultados inconsistentes, pois a resistividade depende de outros fatores relacionados ao ambiente, que podem ser corrompidos com a transposição da amostra para um laboratório, além de não considerar a heterogeneidade do solo.
2 Em seu estado natural, o solo é mau condutor, e se considerado totalmente seco, ele se comporta como isolante. Sua resistividade é muito elevada se comparada a condutores convencionais, como mostrado na Tabela I [5]. Tabela I Ordem de Grandeza da Resistividade de Certos Materiais [5]. Condutor Resistividade (Ω.m) Cobre Puro 1,5 x 10-8 Alumínio 2,7 x 10-8 Solos mais comuns 5 a 20.000 B. Fatores influentes na resistividade do solo Vários parâmetros influenciam na busca pelo valor da resistividade do solo. Assim, uma análise criteriosa sobre tais fatores se torna uma tarefa bastante difícil. Entretanto, é necessário conhecê-los o máximo possível para que a determinação da resistividade do solo seja feita com razoabilidade. A seguir descreve-se, entre outros, os principais parâmetros que podem influenciar na determinação do valor da resistividade do solo, [2] e [5]. 1) Tipo de solo Pelo fato dos solos não serem bem definidos, uma mesma variedade de solo localizada em diferentes locais pode ter valores diferentes de resistividade. Dessa forma se torna impossível atribuir-se um valor específico de resistividade a um tipo de solo. Entretanto, é possível determinar faixas de valores para diferentes tipos de solo, conforme a Tabela II [5]. Tabela II Faixa de Valores Usuais de Resistividade de Certos Tipos de Solo [5]. Tipo de Solo Resistividade (Ω.m) Lama 5 a 100 Húmus 10 a 150 Limo 20 a 100 Argila 80 a 330 Terra de Jardim 140 a 480 Calcário fissurado 500 a 1000 Calcário compacto 1000 a 5000 Granito 1500 a 10000 Areia comum 3000 a 8000 Basalto 10000 a 20000 2) Umidade do solo A resistividade do solo varia com a umidade presente nele. Em baixas frequências, a condução no solo se faz basicamente por mecanismos eletrolíticos. Tal variação é devida a condução de cargas elétricas no mesmo ser em sua maioria iônica. Uma porcentagem maior de água faz com que os sais presentes no solo se dissolvam formando, dessa forma, um meio eletrolítico favorável a passagem de corrente iônica. Dessa forma, um determinado solo com concentração diferente de umidade, apresenta valores diferentes de resistividade. A Tabela III ilustra tal comportamento em um solo arenoso [5]. Tabela III Resistividade de Um Solo Arenoso com Concentração de Umidade [5]. Índice de umidade (% por peso) Resistividade (Ω.m) (Solo arenoso) 0,0 10.000.000 2,5 1.500 5,0 430 10,0 185 15,0 105 20,0 63 30,0 42 3) Temperatura do solo A temperatura causa ao solo uma maior ou menor evaporação de água. Em países tropicais como o Brasil, com altos níveis de insolação e temperaturas elevadas, esta evaporação é bastante acentuada. Está também associada à movimentação dos íons dissolvidos na água, o que explica o motivo da alta resistividade em temperaturas abaixo de 0º C. A Tabela IV, relaciona a resistividade em função da temperatura, com umidade aproximadamente constante [2] e [5]. Tabela IV Efeito da temperatura na resistividade do solo [2] e [5]. Temperatura ( C) Resistividade do Solo (Ω.m) +20 72 +10 33 0(água) 138 0(gelo) 300-5 790-15 3.300 4) Estratificação do solo A não homogeneidade está presente na maioria dos solos, que são formados por diversas camadas de resistividade e profundidade diferentes. Devido a formação geológica, pode-se dizer que em geral essas camadas são paralelas à superfície do solo. A consequência da existência de camadas com diferentes valores de resistividade está na variação da dispersão de corrente por meios dessas camadas, [2] e [5]. É importante ressaltar que existem vários outros fatores influentes no valor da resistividade do solo. Entretanto, é muito difícil estabelecer a relação direta entre tais fatores e sua influência ou comportamento na resistividade do solo, ficando evidente que a medição local para avaliação da mesma é de fundamental importância. III. MÉTODOS E PROCEDIMENTOS As medições de resistividade do solo foram realizadas em um local plano disponibilizado pela Universidade Federal de São João del-rei (UFSJ) no Campus Santo Antônio (CSA). Para análise das características do solo local escolhido, foram feitas medições ao longo do período compreendido entre 26 de junho de 2012 e 18 de outubro de 2013. Dentro do possível, as
3 medições foram realizadas de 15 em 15 dias, mas por motivo de ordem técnica, algumas medições não puderam ser realizadas dentro deste prazo pré-estabelecido. Na medição de resistividade do solo foi utilizado o Método de Frank Wenner e para a estratificação do solo definiu-se o Método de Estratificação do Solo em Duas Camadas Utilizando Curvas. Devido ao fato do solo não ser homogêneo, a modelagem do solo em camadas horizontais é uma técnica usada que permite criar modelos complexos com n camadas com diferentes valores de resistividade. A principal intenção é criar camadas homogêneas e de profundidades conhecidas, o que é possível realizando medições de forma adequada. As hastes foram cravadas a 30 centímetros e os espaçamentos adotados foram de 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6 e 7 metros, medidos a partir de um ponto central, em três direções defasadas de 60º, como pode ser visualizado na Figura 1. Os valores dos espaçamentos adotados divergem um pouco dos sugeridos pela norma técnica, [6]. O motivo pela escolha dos espaçamentos se dá, primeiramente, pela limitação de espaço do local escolhido para a realização das medições, não sendo possível adotar o que é sugerido pela norma, e, ainda, para que um número razoável de medições pudesse ter sido feito dentro das limitações da área do terreno. Figura 1 Dimensões e direções medidas do terreno utilizado. Utilizando o método de Frank Wenner, foi possível obter os dados medidos por meio de um Terrômetro Digital modelo MTD-20KW. Uma ferramenta computacional, elaborada na plataforma MATLAB, foi desenvolvida para que a modelagem e estratificação do solo pudesse ser feita. A ferramenta retorna ao usuário os valores das resistividades da primeira e segunda camadas, e a espessura da primeira camada, sendo a segunda tendo comprimento infinito, como pode ser visto na Figura 3. Figura 2 Solo estratificado em 2 camadas, [2] e [5]. Os dados meteorológicos referentes ao período de medição e necessários para este trabalho (data, hora, temperatura e precipitação) foram fornecidos pela estação meteorológica instalada no Campus Tancredo Neves (CTAN) da UFSJ. Os dados foram organizados por períodos acumulados que antecederam as medições, ou seja, 15 dias antes de cada medição. A temperatura do período acumulado foi obtida a partir da média aritmética correspondente aos dados de cada hora, da média das temperaturas de cada dia e por fim da média correspondentes aos 15 dias antecedentes à medição. A precipitação é apresentada como a soma de todos os valores fornecidos a cada hora, para o período acumulado. IV. RESULTADOS Esta seção mostra os principais resultados obtidos com as medições de resistividade do solo do espaço em questão. Na Tabela V estão apresentadas as datas das medições, a resistividade da primeira e da segunda camadas do solo e a altura da primeira camada, obtidas por meio da técnica de estratificação do solo utilizando curvas. Data da Medição Tabela V Medições de resistividade. Resistividade Resistividade Altura da 1ª 1ª camada 2ª camada camada (Ω.m) (Ω.m) (m) 26/6/2012 104,0249 256,2453036 0,8569 1/11/2012 62,1117 333,755564 0,5829 22/11/2012 129,2075 278,4819333 1,2448 30/11/2012 98,8097 221,513408 0,6899 1/2/2013 77,3871 192,2739593 0,6476 15/2/2013 114,8805 190,81558 1,1183 15/3/2013 73,4814 191,5625167 0,5320 21/3/2013 110,5904 186,6997111 1,0330 19/4/2013 78,3889 175,0210042 0,5243 26/4/2013 114,8805 190,76075 1,1179 21/6/2013 123,3599 212,2603667 0,6573 5/7/2013 139,6446 216,6946444 0,5583 19/7/2013 160,694 218,84726 0,4791 8/8/2013 148,1502 256,5230952 0,8362 22/8/2013 148,5556 272,9945955 0,9133 9/9/2013 131,5583 269,86598 0,8188 18/10/2013 99,9941 232,9122667 0,6395 A Figura 3 mostra um gráfico da resistividade da primeira e da segunda camadas do solo em função dos meses de medição. É possível notar a variação da resistividade em função das estações do ano e dos dias medidos. Percebe-se que os valores de resistividade da primeira camada são sempre menores que os valores da segunda camada. Provavelmente isto ocorre pelo tipo do solo e pelo fato de penetração da chuva no solo ser mais acentuada na primeira camada. Além disso, percebe-se que a variação da altura da primeira
4 camada ocorre de maneira proporcional a resistividade desse camada, conforme dados apresentados na Tabela V. 400 350 300 250 200 150 100 50 0 abr/12 jul/12 out/12 jan/13 mai/13 ago/13 nov/13 Figura 2 Resistividade do solo em função do tempo. A Tabela VI apresenta a variação climática em São João del- Rei nos períodos de medição, obtida conforme descrição apresentada na seção III. Início do Período Resistividade da 1ª camada Resistividade da 2ª camada Tabela VI Dados do clima. Temperatura Precipitação Data da Média no Acumulada no Medição Período ( C) Período (mm) 12/06/2012 26/6/2012 17,2 20 18/10/2012 1/11/2012 22,9 68 08/11/2012 22/11/2012 19,9 121 16/11/2012 30/11/2012 20,9 87 18/01/2013 1/2/2013 21,3 92 01/02/2013 15/2/2013 22,2 12 01/03/2013 15/3/2013 22,4 81 07/03/2013 21/3/2013 22,1 21 05/04/2013 19/4/2013 19,8 59 12/04/2013 26/4/2013 18,3 0 07/06/2013 21/6/2013 16,9 1 21/06/2013 5/7/2013 17,7 0 05/07/2013 19/7/2013 15,2 1 25/07/2013 8/8/2013 15,4 0 08/08/2013 22/8/2013 17,0 1 26/08/2013 9/9/2013 17,3 27 04/10/2013 18/10/2013 17,7 82 Na Tabela VI não é possível verificar a influência da temperatura média com a variação da resistividade do solo. Entretanto, verifica-se a variação da temperatura de acordo com as estações do ano. No período compreendido entre outubro a abril, a despeito das temperaturas mais altas, tem-se valores de resistividade menores, devido ao período chuvoso. Por outro lado, nos meses de maio a setembro, devido ao longo tempo de estiagem, apesar das temperaturas mais baixas, têm-se resistividades do solo mais altas. Na Figura 4, o gráfico apresenta a variação da resistividade da primeira e da segunda camadas em comparação com a a precipitação acumulada do período. 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Precipitação acumulada (mm) Resistividade da 1ª camada Resistividade da 2ª camada Figura 4 Resistividade do solo e precipitação acumulada em função do tempo Por meio da Figura 4 é possível verificar a variação da resistividade do solo conforme a sazonalidade, ou melhor de acordo a quantidade de chuva do período em questão. Percebese que a resistividade do solo varia de maneira inversamente proporcional à precipitação. As maiores diferenças da média na resistividade do solo se dão no período de seca, exceto a medição do dia 22 de novembro, que apresentou um valor diferente do esperado. Nos períodos secos, a resistividade do solo da primeira camada chegou a aumentar 42, 6% em relação à média de todo o período. Por outro lado, a resistividade do solo na segunda camada, apesar de também ter sofrido um aumento, essa diferença não chegou a ser tão significativa. Percebe-se que essa camada, devido sua profundidade, é menos sensível e por isso sua variação é menos abrupta e sem muita proporcionalidade, quando comparada com o comportamento da primeira camada. V. CONCLUSÃO Os resultados obtidos nessas medições ilustram que a variação da resistividade do solo ocorre com as estações do ano e, consequentemente, com o período de seca e de chuva em uma determinada região. Foi possível observar o aumento da resistividade do solo à medida que a precipitação diminui e sua diminuição à medida que a precipitação aumenta. Além disso, pode-se verificar o quanto a primeira camada do solo é mais sensível às mudanças climáticas, quando comparada com a sensibilidade da segunda camada. Para finalizar, é importante destacar que os resultados apresentados neste artigo correspondem ao primeiro ano de medição realizada no local descrito no texto. Desta forma, apesar das análises apresentadas ao longo do texto serem concentradas em resultados, bem como a exploração dos mesmos, amplamente conhecidos na literatura técnica especializada, tem-se a expectativa de que seja a primeira de uma série de medições. Em análises posteriores, pretende-se utilizar as medições (atuais e futuras) para avaliações estatísticas de interesse aplicado. Diante do exposto, o objetivo principal deste artigo é dividir com a comunidade técnica
5 interessada no tema, as medições realizadas no período citado. Tem-se a expectativa de, em um futuro próximo, armazenar uma quantidade significativa de medições que auxilie a verificação de particularidades físicas da variação sazonal da resistividade que possam subsidiar projetos de aterramentos elétricos que contemplem a variação em causa. VI. REFERÊNCIAS [1] A. M. Marcato, Os apagões e o futuro da eletricidade no Brasil, São Paulo, SP. Engenho Editora Técnica Ltda, 2010. [2] G. Kindermann, J.M. Campagnolo. Aterramento Elétrico, 3 Ed, Sagra - D.C. Luzzatto Editores, Porto Alegre, 1995. [3] Nogueira, P. J. C., Influência da Estratificação do solo na Impedância Impulsiva de aterramento de linhas de Transmissão, Dissertação de Mestrado do Programa de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Católica de Minas Gerais. Belo Horizonte, Março de 2002. [4] Souza, W.A.P., Moreira, M.L., Souza, I.P., Santos, R.O. Elaboração de um Software Para Análise da Estratificação do Solo Utilizando O Método de Duas Camadas Usando Curvas. Instituto de Estudos Superiores da Amazônia (IESAM), 2005. [5] Visacro, S. Aterramentos Elétricos: conceitos básicos, técnicas de medição e instrumentação, filosofias de aterramento, Artiliber Editora, São Paulo, 2002. [6] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, Medição de Resistividade do Solo: Método dos Quatro Pontos, ABNT NBR-7117, Dez,1981.