Aula 02 - Aterramento e Equipotencialização

Aterramento & Equipotencialização

Prof. Dr. Paulo S. Marin, Engº.Engenheiro Eletricistawww.paulomarin.com

Minhas CredenciaisProf. Dr. Paulo Marin, Engº.

• Estudos de pós-doutorado em des. de energia sustentável (Calgary, AB, Canadá);• Doutor em Engenharia Elétrica – Interferência eletromagnética;• Mestre em Engenharia Elétrica – Propagação de sinais;• Engenheiro Eletricista Pleno;• Coordenador da ABNT - Cabeamento estruturado: comercial, data centers, residencial e infraestrutura• Coordenador da ANSI/BICSI nos Estados Unidos (ANSI/BICSI-005 - ESS Electronic Safety & Security);• Membro da ANSI/BICSI-002 - USA (Data Center Infrastructure Standard & Recommended Practices);• Autor de inúmeros artigos técnicos publicados no Brasil e no exterior;• Autor do livro ‘Cabeamento Estruturado – Desvendando cada passo: do projeto à instalação’ (publicado em

2008, em sua quarta edição atualmente);• Autor do livro ‘Data Centers – Desvendando cada passo: conceitos, projeto,

infraestrutura física e eficiência energética’ (publicado em 2011);• Colunista da Revista RTI por mais de dez anos; • Organizador, presidente de mesa e mediador de congressos técnicos• Palestrante internacional em diversos eventos técnicos e acadêmicos;• Membro da BICSI (A Telecommunications Association – USA);• Membro do IEEE (Institute of Electric and Electronics Engineers - USA).

Transmissão-Distribuição

Aterramento & Equipotencialização

• Normas de referência– NBR 5410:2004 Versão Corrigida 2008“Instalações elétricas de baixa tensão”– ANSI/TIA-607-B“Generic Telecommunications Grounding (Earthing)

and Bonding for Customer Premises”(Aterramento e equipotencialização genérico de

telecomunicações para edifícios)

Primeira Parte NBR 5410

Instalações Elétricas de Baixa Tensão

Tipos de Aterramento

• Aterramento de Proteção– Visa a segurança de seres vivos e de

equipamentos.

• Aterramento Funcional– Visa garantir o desempenho do sistema elétrico ao

qual o aterramento está conectado.

Aterramento • Esquema TN: um ponto de alimentação diretamente aterrado

com as massas conectada a este ponto por condutores de proteção

• Três configurações:– TN-S: Neutro e Proteção separados– TN-C: utilização do condutor PEN– TN-C-S: esquema híbrido que combina Neutro e Proteção

Esquema TN-S

- Neste esquema, a tensão nas massas (em condições normais) é igual à tensão no ponto de ligação entre o neutro e o condutor de proteção.- O condutor neutro e de proteção são distintos.

Fonte: NBR 5410

Esquema TN-S Abordagem Prática

Fonte: Instalações Elétricas, Ademaro Cotrim

Esquema TN-C

- Neste esquema, a tensão nas massas (em condições normais) é igual à tensão no ponto de ligação entre o neutro e as massas.- As funções de neutro e proteção são combinadas em um único condutor (PEN), em toda a instalação.

Fonte: NBR 5410

Esquema TN-C-S

- Neste esquema, os condutores neutro e de proteção que são conectados ao mesmo potencial inicialmente não podem ser juntados após suas separações.- As funções de neutro e condutor de proteção são combinadas em um único condutor em parte da instalação.

Fonte: NBR 5410

Esquema TN-C-SAbordagem Prática

Fonte: Instalações Elétricas, Ademaro Cotrim

IMPORTANTE!

• No esquema TN-C há “economia” de um condutor uma vez que é usado o PEN.

Nota: o rompimento do PEN em uma instalação coloca a massa no mesmo potencial da fase em relação à terra.

• Por medida de segurança no esquema TN-C os condutores PEN devem ter seções de 10mm² (cobre) ou 16mm² (alumínio).

• No TN-S não ocorre o problema do TN-C e pode usar condutores de seções quaisquer. Podem ser protegidos por disjuntores DR. Neste esquema não há economia de condutores.

• O esquema TN-C-S (usado no Brasil com frequência), combina uma rede pública TN-C com uma instalação TN-S.

Esquema TT

- Neste esquema, o neutro é diretamente aterrado no secundário do trafo (ou gerador),sendo as massas aterradas individualmente ou por grupos, por meio de eletrodos de aterramento eletricamente independentes do eletrodo de alimentação. - Os condutores neutro (N) e proteção (PE) são separados na instalação do consumidor e a concessionária não fornece terminal de aterramento.- O terminal de aterramento principal do consumidor é ligado a um eletrodo de aterramento.

Fonte: NBR 5410

Esquema TTAbordagem Prática

Fonte: Instalações Elétricas, Ademaro Cotrim

IMPORTANTE!• Em instalações que usam o esquema TT, a proteção contra contatos indiretos deve

ser garantida por dispositivos de proteção a corrente diferencial-residual (dispositivos DR), que detectam diretamente a corrente que escoa para a terra.

• A aplicação deste esquema é bastante simples não exigindo vigilância permanente da instalação – somente o controle periódico dos dispositivos DR. Trata-se de um esquema ideal para instalações alimentadas diretamente por rede de distribuição pública de baixa tensão.

• Todas as massas da instalação protegidas contra contatos indiretos por um mesmo dispositivo de proteção, para evitar o surgimento de eventuais tensões perigosas, devem ser ligadas a um mesmo eletrodo de aterramento. As massas que forem simultaneamente acessíveis devem ser aterradas no mesmo eletrodo.

Eletrodos de Aterramento

Eletrodos de Aterramento• Toda edificação deve dispor de um eletrodo de

aterramento:- uso das próprias armaduras do concreto das fundações

(preferência);- uso de fitas, barras ou cabos metálicos, especialmente

fabricados, imersos no concreto das fundações;- uso de malhas metálicas enterradas, no nível das fundações,

cobrindo a área da edificação e complementadas, quando necessário, por hastes verticais e/ou cabos dispostos radialmente

- uso de anel metálico enterrado, circundando o perímetro da edificação e complementado, quando necessário, por hastes verticais e/ou cabos dispostos radialmente

Eletrodos de AterramentoEspecificações, Aço

Fonte: NBR 5410

Eletrodos de AterramentoEspecificações, Cobre

Fonte: NBR 5410

Eletrodos de AterramentoInstalação

• Deve-se atentar para que alterações nas condições do solo (por exemplo, ressecamento) e eventuais efeitos da corrosão não possam elevar a resistência de aterramento.

• Nos casos em que a infraestrutura de aterramento da edificação for constituída pelas próprias armaduras embutidas no concreto das fundações, pode-se considerar que as interligações naturalmente existentes entre estes elementos são suficientes para se obter um eletrodo de aterramento com características elétricas adequadas.

• As fundações em alvenaria, a infraestrutura de aterramento pode ser constituída por fita, barra ou cabo de aço galvanizado imerso no concreto das fundações, formando um anel em todo o perímetro da edificação.

• A fita, barra ou cabo deve ser envolvido por uma camada de concreto de no mínimo 5 cm de espessura, a uma profundidade de no mínimo 0,5 m.

Condutores de Aterramento

- Quando o eletrodo de aterramento é parte da estrutura da edificação:- Derivação (conexão) com diâmetro de 10mm ou fita zincada de 25mm x 4mm;- A conexão ao eletrodo de aterramento deve ser feita por meio de solda elétrica;- O ponto de conexão do condutor de aterramento deve ser uma barra ou condutor de cobre

ligado à derivação por meio de solda exotérmica;- Quando o eletrodo é a armadura do concreto, ela deve ter no ponto de conexão uma seção

mínima de 50mm2 e um diâmetro mínimo de 8mm;- Outros tipos de conectores podem ser utilizados em substituição a soldas elétricas e

exotérmicas.

Condutores de aterramento enterrados no solo

Fonte: NBR 5410

Condutor de Proteção

• A seção mínima de qualquer condutor de proteção que não faça parte do mesmo cabo ou não esteja contido no mesmo conduto fechado que os condutores de fase deve ser:– 2,5 mm2 em cobre/16 mm2 em alumínio, se for provida proteção contra danos

mecânicos;– 4 mm2 em cobre/16 mm2 em alumínio, se não for provida proteção contra

danos mecânicos.• Quando utilizado o condutor PEN, sua seção mínima dever ser de 10 mm2 em

cobre ou 16 mm2 em alumínio.

Seção mínima do condutor de proteção

Fonte: NBR 5410

Equipotencialização

• Garante que todos os potenciais de uma instalação sejam iguais em relação à terra.

• O objetivo disso é oferecer segurança ao operador/usuário de equipamentos elétricos, bem como proteger os equipamentos por faltas via sistema de aterramento (correntes de loop de terra)

EquipotencializaçãoA: condutor de proteçãoB: Condutor de aterramentoC: Condutores de equipotencialização

Fonte: Instalações elétricas em locais de habitação, José Rubens Alves de Souza

Medição da Resistência de Terra

Fonte: NBR 5410

Rterra = 10 Ωmáximo

Equipamentos de Testes

Terrômetro ou Megômetro de Terra

Os eletrodos de aterramento podem ser profundos ou superficiais. No “primeiro caso, geralmente, usam-se tubos de ferro galvanizado, em geral de 3/4”, ou hastes de aço revestidas com uma película de cobre depositada eletroliticamente (copperweld), de comprimento grande, cravados no solo.

No caso de aterramento superficial, usam-se cabos condutores ou chapas, enterrados a uma profundidade média de 0,50 metro, preferindo-se uma disposição radial e com centro comum.

Resistência do Solo

• Deve ser provida proteção contra sobretensões transitórias, nos seguintes casos:

- quando a instalação for alimentada por linha total ou parcialmenteaerea, ou incluir ela própria linha aerea, e se situar em região sob condições de influências externas AQ2 (mais de 25 dias de trovoadaspor ano);- quando a instalação se situar em região sob condições de influênciasexternas AQ3.

Proteção contra Sobretensões

IMPORTANTE!• Admite-se que a proteção contra sobretensões exigida por normas

técnicas aplicáveis possa não ser provida se as consequências dessa omissão, do ponto de vista estritamente material, constituírem um risco calculado e assumido. Em geral, regiões sob condições de influências externas AQ1 (com no máximo 25 dias de trovoadas por ano) não necessitam de proteção contra surtos transitórios.

• Em hipótese alguma a proteção pode se dispensada se essas consequências puderem resultar em risco direto ou indireto à segurança e à saúde das pessoas.

• Os dispositivos de proteção contra surtos (DPS) são então classificados de acordo com a suportabilidade a impulsos requerida por uma determinada instalação.

Classificação dos Dispositivos de Proteção contra Surtos

Tensão nominal da instalação, V Tensão de impulso suportável (requisito), kV

Categoria do dispositivo

Sistemastrifásicos

Sistemasmonofásicos comneutro

Dispositivo parauso na entrada dainstalação

Dispositivo para usoem circuitos dedistribuição ecircuitos terminais

Equipamentos deutilização

Equipamentosprotegidos de formaespecial

Classe de suportabilidade a impulsos

IV III II I

120/208127/220

115/230120-240127-254

4 2,5 1,5 0,8

220/380230/400277/480

- 6 4 2,5 1,5

400/690 - 8 6 4 2,5

Esquema de Proteção com DPS

L1 L2 N

L1

N

L2 L2

N

L1

L1

N

N

L1N

L2N

PE PE

Alimentação elétrica para os equipamentos de informática

Alimentação elétrica para os equipamentos de informática

Chave geral (dispositivo DR)

L3 L3

L3

Quadro elétrico geral

Quadros secundários(dispositivos

intermediários)

Condutor de proteção

Fases

Neutro

L2

Disjuntores individuais(dispositivos de saída)

Disjuntores individuais(dispositivos de saída)

C1, F1 C2,F1 C3,F1 C4,F1 C5,F1 C6,F1 C1, F2 C2,F2 C3,F2 C4,F2 C5,F2 C6,F2

Circuitos vinculados à Fase 1 (Linha 1)

Circuitos vinculados à Fase 2 (Linha 2)

DPS

DPS

DPS

DPSExemplo de proteção com DPS

para circuitos de distribuiçãode equipamentos de TI

DPS de Classe II, com suportabi-lidade a impulsos de até 1,5kV

Proteção contra SobretensõesTransitórias em Linhas de Sinal

• Toda linha externa de sinal, seja de telefonia, de comunicaçãode dados, de vídeo ou qualquer outro sinal eletrônico, deveser provida de proteção contra surtos nos pontos de entradae/ou saída da edificação.

• Além dos pontos de entrada/saída, pode ser necessárioprover proteção contra surtos também em outros pontos, aolongo da instalação interna, e, em particular, junto aosequipamentos mais sensíveis, quando não possuíremproteçãoincorporada.

Segunda Parte ANSI/TIA-607-B

Generic Telecommunications Grounding (Earthing) and Bonding for Customer Premises

Aterramento e equipotencialização genéricos paratelecomunicações em edifícios

Cobertura

• A TIA-607-B especifica os requisitos da infraestrutura de aterramento e equipotencialização para telecomunicações emedifícios comerciais.

• Essa norma especifica uma infraestrutura de aterramento e equalização para telecomunicações e sua interconexão com outros sistemas do edifício.

Estrutura

Estrutura de aterramento e equiptencialização em edifícios comerciais típicos.

Fonte: ANSI/TIA-607-B

Estrutura de Aterramento

Fonte: ANSI/TIA-607-B

Estrutura de aterramento eequipotencialização para edifícios de pequeno porte.

Componentes do Sistema

• Telecommunications main grounding busbar (TMGB): Barramento terra de telecomunicações

• Bonding conductor for telecommunications: Condutor de equipotencialização para telecomunicações

• Telecommunications Bonding Backbone (TBB): Backbone de equalização de telecomunicações

• Grounding Equalizer (GE): Aterramento para equalização• Telecommunications grounding busbar (TGB): Barramento de

terra de telecomunicações

TMGBTelecommunications Main Grounding Busbar

• O TMGB serve como uma extensão dedicada do eletrodo do sistema de aterramento do edifício para os sistemasdetelecommunicações

• O TMGB também serve como o ponto de central de conexão para o TBB e equipamentos.

• Um único TMGB pode servir ao edifício inteiro.

• Características do TMGB:– É uma placa de cobre perfurada para a conexão de condutores de

aterramento– Deve ser dimensionado para atender às necessidades de projeto, bem

como oferecer capacidade para crescimento futuro– Ter dimensões mínimas de 6mm de espessura, largura de 100mm e

comprimento variável

TMGBTelecommunications Main Grounding Busbar

Dimensões e características de uma placa utilizada como TMGB (típico).

TMGB - Instalação

• O TMGB deve ser isolado de seu suporte de montagem em, no mínimo, 50 mm

• O TMGB deve ser montado em localidade acessível paramanutenção

• Uma localidade prática para a instalação do TMGB é ao ladodo quadro elétrico principal do edifício

• A altura de montagem do TMGB deve ser tal que permita a conexão de cabos por encaminhamentos aereos ou sob infraestrutura de piso elevado (conforme projeto)

TMGB Condutor de Equipotencialização

O condutor de equipotencialização para o sistema de telecomunicações deveconectar o TMGB ao aterramento do edifício. O condutor de equipotencialização deve ter, no mínimo, as mesmas dimensõesdo TBB.

TBB Telecommunications Bonding Busbar

• O TBB conecta todos os TGBs ao TMGB• O TBB origina no TMGB e é distribuído pelo backbone de

telecomunicações do edifício para interligar todas as salas de telecomunicações do edifício

• O GE interconecta diversos TBB, quando aplicável• O TBB deve ser dimensionado para que sua extensão seja a mínima

possível• Encanamentos metálicos quaisquer não podem ser utilizados como TBB• Blindagens de cabos de telecom do backbone não podem ser utilizadas

como TBB• Quando mais de um TBB existir no edifício, eles devem ser conectados por

um condutor de equalização (GE) no topo do shaft e a cada três andares, no mínimo

• O TBB deve ser um condutor de cobre de, no mínimo, 6AWG de bitola

GE Grounding Equalizer

TBB - Dimensionamento

- O TBB deve ser conectado ao TMGB- O TBB tem como função reduzir ou equalizar as diferenças de potencial entre os sistemas de telecomunicações do edifício- O TBB não é dimensionado para ser utlizado como condutor de equipotencialização dosistema elétrico do edifício-Os condutores do TBB devem ser protegidos contra danos físicos e mecânicos- Os condutores do TBB não devem ser emendados, quando necessário emendas devem ser feitas com solda exotérmica, conectores de compressão não reutilizáveis e estar localizadas nos espaços de telecom devidamente protegidas, identificadas e acessíveis

TGBTelecommunications Grounding Busbar

• O TGB é o ponto de conexão de aterramento para sistemas e equipamentos de telecomunicações em uma área servida por uma sala de telecomunicações ou de equipamentos

• Características do TGB:- Placa de cobre perfurada padronizada para a conexão dos condutores

de aterramento do sistema de telecomunicações- Dimensões mínimas de 6mm de espessura, 50mm de largura e

comprimento variável- Deve ser dimensionada para atender às necessidades da instalação

com capacidade para crescimento futuro

TGBTelecommunications Grounding Busbar

Barramento de aterramento de telecomunicações (TGB), típico

TGB - Instalação

• Os TBBs, bem como outros TGBs dentro do mesmo espaço devem ser conectados ao TG com um condutor de mesma bitola que o condutor do TBB

• O condutor de equalização entre um TBB e um TGB deve ser contínuo e ter o menor comprimento possível

• Onde existir um quadro de distribuição elétrica para equipamentos de telecomunicações no mesmo espaço dos sistemas de telecomunicações, o barramento de equalização deste deve ser conectado ao TGB

• O TGB deve estar tão próximo do quadro de distribuição elétrica quantopossível e manter quaisquer distâncias de separação requeridas por outrasnormas ou regulamentações

• Onde o quadro elétrico para sistemas de telecomunicações não estiverlocalizado dentro do mesmo espaço de telecomunicações onde se encontra o TGB, cosniderações adicionais devem ser feitas para a conexãodeste ao TGB

TGB - Instalação• O TGB deve ser conectado ao GE (condutor de equipotencialização)• Todas as calhas, bandejas e leitos metálicos utilizados para o

lançamento de cabos de telecomunicações localizados em um mesmo espaço onde existe um TGB devem ser conectadas a ele

• As conexões do TBB e do GE ao TGB devem ser feitas com soldaexotérmica ou conectores de compressão não reutilizáveis

• O TGB deve ser isolado de seu suporte de montagem em, no mínimo, 50 mm

• O TGB deve ser montado em localidade acessível para manutenção• Uma localidade prática para a instalação do TMGB é ao lado do quadro

elétrico principal do edifício• A altura de montagem do TGB deve ser tal que permita a conexão de

cabos por encaminhamentos aereos ou sob infraestrutura de piso elevado(conforme projeto)

Equipotencialização de Estruturas do Edifício

• Em estruturas metálicas de edifícios, onde vigas metálicasestiverem acessíveis dentro da sala, cada TGB e TMGB deveser conectado à coluna da estrutura por meio de um condutor de, no mínimo, 6AWG

• Onde a estrutura metálica da edificação for externa à sala e acessível, a estrutura metálica deverá ser conectada ao TGB ou TMGB por meio de um condutor de 6AWG, no mínimo

• Quando for prático, devido a distâncias curtas e onde as vigas da estrutura forem eletricamente unidas às colunas(verticais), o TGB pode ser conectado a estas estruturas emvez de colunas apenas

• A TIA-607-B não exige que a estrutura metálica das edificações seja conectada ao TGB ou TBB

Espaços do Edifício e o Sistema de Aterramento

• Infraestrutura de entrada (EF)– TMGB e TGB

• Sala de equipamentos (ER):– TGB

• Sala de telecomunicações (TR):– TGB

• Área de Trabalho (WA)– Fora da cobertura da TIA-607-A

Esquemas de Aterramento

Edifícios Comerciais

Building Grounding

Capítulo 4, página 120

Configuração de aterramento de telecomunicações paraedifícios comerciais (típico)

Referência: ANSI/TIA-607-B

Esquemas de Aterramento

Data Centers

Aterramento no Data Center

• Elementos:- EGB: Equipment

ground busbar- CGB: Clean ground

busbar- DCMGB: Data

center master ground busbar

- BGB: Building ground busbar

Capítulo 4, página 121

Aterramento no Data Center

Plano de Referência de Terra

A função do plano de referência de terra é estabelecer um plano de terra comum para todos osequipamentos eletrônicosdentro de uma áreafechada.

Serve para equalizar o potencial de terra ao longode uma ampla escala de frequências (até a faixa de MHz).

Capítulo 4, página 122

Condutores

• Condutor redondo– Mais fácil de ser instalado em

estruturas existentes.

• Tira de cobre– Melhor em termos de

resposta elétrica (apresentaimpedância inferior aoscondutores redondos, fatorimportante em altasfrequências).

– Mais simples de ser instalado.

Malha de Referência de Sinal

Malha de Referência de Sinal

Componentes

Diretrizes para Instalação

• Todas as estruturas metálicas, bem comocomponentes sob o piso elevado (conduítes, etc.)devem ser conectados ao plano de referência deterra

• Condutor de cobre, nú, de 6 AWG deve ser usado• Toda a estrutura metálica do edifício (acessível) deve

ser permanentemente conectada ao plano dereferência de terra

Diretrizes para Instalação

Os pedestais do piso elevado devem ser conectados aoplano de referência de terra, isso ajuda a minimizar proble-mas com descargas eletrostáticas (ESD).

Plano de referência de terraPedestais

Diretrizes para Instalação

• Todos os equipamentos eletrônicos emecânicos instalados na computer roomdevem ser conectados ao plano de referênciade terra

• As conexões devem ser feitas utilizando-secordões ou tiras (fitas) curtas

• Tiras com condutores flexíveis devem usadaspara conectar os equipamentos ao plano dereferência de terra

Instalações & Componentes

Detalhe da conexão doequipamentoativo de redeao sistema de aterramentodo data center.

Componentes do aterramento Fonte: Harger Lightning & Grounding

Componentes do aterramento Fonte: Harger Lightning & Grounding

Exemplo de TGB Fonte: Harger Lightning & Grounding

Introdução à Compatibilidade Eletromagnética

Pode ser definida como a habilidade de um componente ou sistema estar apto a suportar ou não ser afetado por dispositivos que geram interferência eletromagnética (EMI) presentes em suas proximidades. A compatibilidade eletromagnética está relacionada à imunidade à interferência eletromagnética dentro de certos limites.

Blindagem e Loops de Terra

- A blindagem do cabo em ambas as extremidades do canal é uma boa prática paraacoplamentos por campos elétricos.- No entanto, isso acarreta a formação de correntes de loop de terra pela diferença de potencial entre os aterramentos de ambas as extremidades.

Blindagem e Loops de Terra

-Em altas frequências, há uma capacitância parasita de acoplamento que tende a completaro link quando a blindagem está aterrada em uma extremidade do canal.

• NOTA – São exemplos de medidas que contribuem para a redução dos efeitos das sobretensões induzidas e das interferências eletromagnéticas:

• disposição adequada das fontes potenciais de perturbações em relação aos equipamentos sensíveis;

• disposição adequada dos equipamentos sensíveis em relação a circuitos e equipamentos com altas correntes, como, por exemplo, barramentos de distribuição e elevadores;

• uso de filtros e/ou dispositivos de proteção contra surtos (DPSs) em circuitos que alimentam equipamentos sensíveis;

• seleção de dispositivos de proteção com temporização adequada, para evitar desligamentos indesejáveis devidos a transitórios;

Prevenção de Influências Eletromagnéticasnas Instalações e seus Componentes

• equipotencialização de invólucros metálicos e blindagens;• separação adequada, por distanciamento ou blindagem, entre

as linhas de energia e as linhas de sinal, bem como seucruzamento em ângulo reto;

• separação adequada, por distanciamento ou blindagem, das linhas de energia e de sinal em relação aos condutores de descida do sistema de proteção contra descargasatmosféricas;

• utilização de cabos blindados para o tráfego de sinais;

Prevenção de Influências Eletromagnéticasnas Instalações e seus Componentes

Aterramento da Blindagem

Curiosidades!

- Revisar o item 6.3.1, página 184