Aterramento 2

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PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DE MINAS GERAISPrograma de Ps-graduao em Engenharia Eltrica

ATERRAMENTO TEMPORRIO PARA LINHAS DE TRANSMISSO:anlise da segurana humana

Wagner Eustquio Diniz

Belo Horizonte 2008

Wagner Eustquio Diniz

ATERRAMENTO TEMPORRIO PARA LINHAS DE TRANSMISSO:anlise da segurana humana

Dissertao apresentada ao Programa de PsGraduao em Engenharia Eltrica, da Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais, como requisito parcial para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica.

Orientador: Prof. Dr. Mrio Fabiano Alves

Belo Horizonte 2008

FICHA CATALOGRFICA Elaborada pela Biblioteca da Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais Diniz, Wagner Eustquio Aterramento temporrio para linhas de transmisso : anlise da segurana humana / Wagner Eustquio Diniz. Belo Horizonte, 2008. 105 f. : il. Orientador: Mrio Fabiano Alves Dissertao (Mestrado) Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica. Bibliografia. 1. Correntes eltricas - Aterramento. 2. Linhas de transmisso. I. Alves, Mrio Fabiano. II. Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica. III. Ttulo CDU: 621.316.99

D585a

Dedico este trabalho minha me Maria Estela Diniz, exemplo de humildade, honestidade e carter; smbolo de luta, ajuda ao prximo e f.

AGRADECIMENTOS

Agradeo a Deus que sempre me ajudou em todos os momentos de minha vida, pois, sem Ele no estaria onde estou hoje. Agradeo a todos aqueles que ajudaram direta ou indiretamente na realizao deste trabalho. A RITZ pelo suporte financeiro e flexibilidade no horrio de trabalho. Ao Professor Mrio Fabiano Alves pela orientao, dedicao, compreenso e estmulos. Aos membros da banca examinadora, Prof. Jos Osvaldo Saldanha Paulino, Prof. Pyramo Pires da Costa Junior e Profa. Rose Mary de Souza Batalha, que alm de aceitar o convite, contriburam para aprimoramento deste trabalho. Aos professores do PPGEE pelo conhecimento transmitido dentro e fora da sala de aula. s Isabeis da Secretaria do PPGEE pela ajuda e esclarecimentos necessrios, pelo otimismo e exemplo de profissionalismo. Agradecimentos especiais a Jos Afonso de Arajo pela idia, apoio e incentivo, a Francisco de Castro Junior pela disponibilidade, pacincia, vontade de ajudar e otimismo e a Anderson Jos de Assis por ser sempre prestativo e no medir esforos para ajudar. Um agradecimento muito mais que especial a Nna, pelo seu amor, dedicao, carinho, amizade, cuidado e compreenso.

S quem lutou dia-a-dia para conseguir uma vitria ter o direito de relembrar em cada pedao do caminho percorrido um tempo de luta e um sabor de conquista. J. S. Nobre Pensar o trabalho mais pesado. Talvez seja essa a razo para to poucas pessoas se dedicarem a isso. Henry Ford

RESUMO

Este trabalho apresenta um estudo para determinao do melhor local para instalao do aterramento temporrio utilizado nas intervenes nas linhas de transmisso desenergizadas, bem como um estudo da viabilidade do uso da chave de aterramento nas subestaes juntamente com o aterramento temporrio. Foram avaliadas diversas configuraes de instalao do aterramento temporrio e determinada qual a mais eficaz no cumprimento do principal objetivo deste equipamento, que garantir a segurana do pessoal envolvido nas atividades de manuteno ou construo de instalaes eltricas desenergizadas. Os procedimentos tradicionais de aterramento temporrio em linhas de transmisso tm se mostrado inadequados quando os nveis de induo so muito elevados, alm disso, foi evidenciado que no existe padronizao destes procedimentos nas concessionrias de energia eltrica. Palavras-chave: Aterramento Temporrio. Linhas de Transmisso. Aterramento de Proteo.

ABSTRACT

This work presents a study for determination of the best place for installation of the temporary grounding used in the interventions in the de-energized transmission lines, as well as a study of the viability of the use of the switch ground in the substations together with the temporary grounding. They were several appraised configurations of installation of the temporary and certain grounding which is the most effective in the execution of the principal objective of this equipment, that is to guarantee the personnel's safety involved in the maintenance activities or construction of facilities electric de-energized. The traditional procedures of temporary grounding in transmission lines have been showing inadequate when the induction levels are very high, besides, it was evidenced that standardization of these procedures doesn't exist in the concessionary of electric power. Key-words: Temporary Grounding. Transmission Lines. Protective Grounding.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1.1 FIGURA 2.1 FIGURA 2.2 FIGURA 2.3 FIGURA 2.4 FIGURA 2.5 FIGURA 2.6

Tipo de conjunto de aterramento...................................................19 Arranjo do ensaio de corrente de curto-circuito..........................25 Aterramento temporrio sem e com trapzio tipo sela ...............29 Lao indutivo....................................................................................32 Configuraes das chaves de aterramento..................................36 Nveis de induo no aterramento temporrio.............................37 Arco eltrico na instalao do aterramento temporrio

em uma LT 500kV ..................................................................................................38 FIGURA 2.7 FIGURA 2.8 FIGURA 2.9 Configuraes do aterramento temporrio LT 230 kV ................41 Configuraes do aterramento temporrio LT 500 kV ................42 Ensaios torre tipo H com postes de madeira, sem

trapzio tipo sela ......................................................................................................44 FIGURA 2.10 Ensaios torre tipo H com postes de madeira, utilizando trapzio tipo sela em um poste..............................................................................................45 FIGURA 2.11 Ensaios torre tipo H com postes de madeira, utilizando trapzio tipo sela em dois postes..........................................................................................47 FIGURA 3.1 FIGURA 3.2 FIGURA 3.3 Acoplamento capacitivo e magntico ...........................................51 Acoplamento eletromagntico .......................................................51 Posies de trabalho onde potenciais anormais

podem aparecer........................................................................................................52 FIGURA 3.4 FIGURA 3.5 Diagrama eltrico equivalente........................................................53 Tenses de toque e passo..............................................................54

FIGURA 3.6 FIGURA 3.7 FIGURA 4.1 FIGURA 4.2 FIGURA 4.3 FIGURA 4.4 FIGURA 4.5 FIGURA 4.6 FIGURA 4.7 FIGURA 4.8 FIGURA 5.1 FIGURA 5.2 FIGURA 5.3

Limites de corrente no corpo humano ..........................................56 Corpo humano eletricamente modelado.......................................57 Configuraes das LTs ..................................................................64 Configurao de um conjunto de aterramento ............................67 Forma de instalao do conjunto de aterramento .......................67 Entrada de dados LCC - Model ......................................................70 Entrada de dados LCC - Data .........................................................71 Circuito equivalente do conjunto de aterramento instalado ......72 Conjunto de Aterramento instalado na LT....................................73 Modelo computacional completo...................................................74 Valores de tenso e corrente .........................................................77 Valores encontrados nas simulaes com Aterramento Local .82 Valores encontrados nas simulaes com Aterramento nas

Estruturas Adjacentes .............................................................................................84 FIGURA 5.4 Valores encontrados nas simulaes com

Aterramento Combinado .........................................................................................86 FIGURA 5.5 Valores encontrados nas simulaes com vrios comprimentos

de paralelismo ..........................................................................................................87 FIGURA 5.6 Valores encontrados nas simulaes com diversos

comprimentos de paralelismo ................................................................................88 FIGURA 5.7 FIGURA 5.8 Variao dos valores de resistncia de p de torre ....................89 Arranjo tpico de um sistema de aterramento permanente de

estruturas metlicas de 138 kV...............................................................................92

FIGURA 5.9

Arranjo de um sistema de aterramento permanente utilizado para

clculo da distribuio de potenciais no solo ......................................................93 FIGURA 5.10 Arranjo de cada contrapeso para clculo da distribuio de potenciais no solo....................................................................................................94

LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1 TABELA 3.1 TABELA 4.1 TABELA 4.2 TABELA 5.1 TABELA 5.2

Valores encontrados nos ensaios .................................................34 Valores de queda de tenso e corrente mximas permitidas.....59 Dados das LTs ................................................................................63 Dados do cabo de aterramento......................................................65 Simulaes computacionais realizadas........................................81 Valores de queda de tenso e corrente mximas permitidas.....96

LISTA DE ABREVIATURAS

A ed. fem FIG. Hz kA kg km kV m mA mm ms n. p. Rf Rg RH RS s Std U.S. V v.

-

Ampre edio fora eletromotriz figura Hertz quiloampre quilograma quilometro quilovolts metro miliampre milmetro milisegundo nmero pgina Resistncia do calado Resistncia dos ps Resistncia das mos Resistncia da pele segundo Standard United States Volts volume

LISTA DE SIGLAS

ABNT ASTM ATP AWG CAA CEMIG CTEEP CODI EMTP EPC EPRI GCOI GRIDIS IEC IEEE LCC LT MCM NBR NR PREPA UFMG WAPA

- Associao Brasileira de Normas Tcnicas - American Society for Testing and Materials - Alternative Transients Program - American Wire Gauge - Cabo de Alumnio com Alma de Ao - Centrais Eltricas de Minas Gerais - Companhia de Transmisso de Energia Eltrica Paulista - Comit de Distribuio - Electromagnetic Transients Program - Equipamentos de Proteo Coletiva - Electric Power Research Institute - Grupo Coordenador para Operao Interligada - Grupo de Intercmbio e Difuso de Informaes sobre Engenharia de Segurana e Medicina do Trabalho - International Electrotechnical Commission - Institute of Electrical and Electronic Engineers - Line Constants, Cable Constants and Cable Parameters - Linha de Transmisso - Mil Circular Mil - Norma Regulamentadora Brasileira - Norma Regulamentadora - Puerto Rico Electric Power Authority - Universidade Federal de Minas Gerais - Western Area Power Administration

NEETRAC - National Electric Energy Testing, Research & Applications Center

SUMRIO

1. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 2. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.3.1. 3.3.2 3.3.3. 3.3.4. 3.4. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.5.1. 4.5.2

INTRODUO .............................................................................................16 Contextualizao do Problema .................................................................16 Justificativa e Contribuies.....................................................................21 Objetivos do Trabalho................................................................................22 Organizao do Texto ................................................................................23 REVISO BIBLIOGRFICA........................................................................24 Introduo ...................................................................................................24 Conjuntos de Aterramento Temporrio ...................................................24 Aterramento Temporrio em Redes de Distribuio ..............................28 Aterramento Temporrio em Subestaes..............................................30 Aterramento Temporrio em Linhas de Transmisso............................33 Concluses .................................................................................................47 ACOPLAMENTO ELETROMAGNTICO E LIMITES DE SEGURANA Introduo ...................................................................................................49 Acoplamento Eletromagntico..................................................................50 Limites de Segurana Humana .................................................................52 Tenses no Local de Trabalho..................................................................52 Limites de Corrente pelo Corpo................................................................54 Impedncia do Corpo .................................................................................56 Queda de Tenso Mxima no Corpo ........................................................58 Concluses .................................................................................................59 CONFIGURAES DAS LINHAS DE TRANSMISSO E MODELO Introduo ...................................................................................................60 Modelo Matemtico ....................................................................................61 Configuraes das Linhas de Transmisso ............................................61 Configurao do Conjunto de Aterramento ............................................65 Modelo Computacional ..............................................................................68 Introduo ...................................................................................................68 Estrutura do Modelo das Linhas de Transmisso ..................................69

HUMANA....................................................................................................................49

COMPUTACIONAL ...................................................................................................60

4.5.3. 4.5.4 4.5.5. 4.6. 5. 5.1. 5.2. 5.2.1. 5.2.2. 5.3. 5.4. 5.4.1. 5.4.2. 5.4.3. 5.4.4. 5.4.5. 5.4.6. 5.4.7. 5.5. 5.5.1. 5.5.2. 5.5.3. 5.6. 6. 6.1. 6.2.

Descrio do Modelo das Linhas de Transmisso.................................70 Estrutura e Descrio do Modelo do Conjunto de Aterramento ...........72 Representao do Modelo Computacional Completo............................73 Concluses .................................................................................................74 ANLISE DAS CONFIGURAES DO ATERRAMENTO Introduo ...................................................................................................75 Obrigatoriedade do Uso do Aterramento Temporrio............................75 Exigncias Normativas ..............................................................................75 Anlise do Risco sem o Uso do Aterramento Temporrio ....................76 Caracterizao do Problema .....................................................................77 Simulaes Computacionais.....................................................................78 Relao das Simulaes............................................................................80 Simulaes com Aterramento Local ........................................................81 Simulaes com Aterramento nas Estruturas Adjacentes ....................82 Simulaes com Aterramento Combinado..............................................85 Simulaes com Aterramento Local em LT's com outros comprimentos Simulaes com Aterramento Local em Regies Rochosa e Alagada 90 Simulaes da Induo na LT 138 kV durante um curto-circuito na Clculo da Tenso de Toque.....................................................................91 Sistema de Aterramento Permanente ......................................................91 Contrapeso ..................................................................................................93 Tenso de Toque ........................................................................................94 Concluses .................................................................................................97 CONCLUSES ............................................................................................99 Concluses .................................................................................................99 Sugestes para Trabalhos Futuros ........................................................100

TEMPORRIO ...........................................................................................................75

de paralelismo ..........................................................................................................87

LT 500 kV...................................................................................................................90

REFERNCIAS........................................................................................................101

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1 INTRODUO

1.1 Contextualizao do Problema

As manutenes nas linhas de transmisso podem ser realizadas de duas maneiras distintas. A primeira realizar a interveno com a instalao energizada, mais conhecida como Manuteno em Linha Viva. A principal vantagem deste mtodo no interromper o fornecimento de energia, evitando a insatisfao dos clientes bem como alcanando melhores ndices de qualidade deste servio. Outra forma realizar a Manuteno em Linha Morta ou desenergizada, onde s aps o trmino da interveno o sistema religado. A Manuteno em Linha Viva apresenta as desvantagens de exigir profissionais com maior treinamento e qualificao; uso de ferramentas especiais de custo geralmente alto e, alm disso, esse mtodo no pode ser aplicado se o tempo estiver chuvoso ou se a umidade do ar estiver elevada, uma vez que as ferramentas podem perder suas caractersticas isolantes. Outra desvantagem desse mtodo que, dependendo do grau de risco, algumas intervenes no podem ser executadas. A Manuteno em Linha Viva realizada atravs de trs mtodos descritos a seguir: Mtodo distncia: esse foi o primeiro mtodo desenvolvido. O eletricista executa as operaes com o auxlio de ferramentas montadas na extremidade de bastes isolantes, observando distncias mnimas de segurana pr-estabelecidas.

Mtodo ao contato: usado normalmente em baixa e mdia tenso, onde o eletricista utiliza luvas e mangas isolantes, alm de permanecer protegido dentro de uma caamba, plataforma ou equipamento isolante, alm de outros equipamentos de proteo coletiva (EPC).

Mtodo ao potencial: tem por finalidade permitir maiores recursos na manuteno, principalmente em linhas de extra-alta tenso, acima de 345

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kV, onde as distncias de trabalho so superiores a 3 metros, o que dificulta o trabalho pelo mtodo distncia. Para se proteger contra os efeitos do campo eltrico da instalao, o eletricista usa uma vestimenta condutiva fabricada com tecido especial, que veste todo o seu corpo, deixando apenas parte da face descoberta. Quando prximo do condutor energizado, o eletricista conecta esta roupa ao condutor, quando ento estar no mesmo potencial da linha. A principal vantagem do mtodo de Manuteno em Linha Morta que qualquer atividade de manuteno pode ser realizada, o que no significa que os cuidados com a segurana sejam desnecessrios. Na prtica das manutenes os acidentes acontecem com maior freqncia nas linhas desenergizadas por descumprimento dos procedimentos de segurana, pois, quando se trata de linha viva o eletricista que executa a manuteno tende a ser mais cauteloso por ter conscincia de que qualquer falha pode ser fatal. Somente considerada desenergizada a instalao que estiver devidamente aterrada (BRASIL, 2004). Assim, todos os procedimentos at que isto ocorra devem ser executados como se a instalao estivesse energizada. O aterramento temporrio das instalaes eltricas desenergizadas e liberadas para a realizao de manuteno ou construo, tm recebido uma considervel ateno, devido ao crescente aumento da potncia instalada e existncia de um sistema interligado atravs de linhas de alta e extra-alta tenso, cobrindo grandes extenses, tendo como conseqncia, elevados nveis de corrente de curto-circuito. As intervenes em instalaes eltricas desenergizadas apresentam, primeira vista, uma condio aparentemente segura para a execuo de trabalhos. Entretanto, elas podem ser indevidamente energizadas por diversos fatores, tais como: erros de manobra, contato acidental com outros circuitos energizados, tenses induzidas por linhas adjacentes, fonte de alimentao de terceiros, descargas atmosfricas, mesmo que distante dos locais de trabalho, dentre outros.

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Infelizmente os fatores acima no se constituem em fatos tericos, ou mesmo impossveis de ocorrer, como muitas vezes o homem de manuteno tende a imaginar, pois, a prtica tem nos mostrado sua veracidade atravs dos inmeros acidentes que ocorrem anualmente nas empresas. A Norma Regulamentadora (NR) 10 foi revisada com o intuito de reduzir o nmero de acidentes no setor eltrico e, dentre outras definies, definiu aterramento temporrio como a ligao eltrica, efetiva, confivel, adequada e intencional a terra, destinada a garantir a equipotencialidade e mantida continuamente durante a interveno na instalao eltrica (BRASIL, 2004, p. 13). O aterramento temporrio do circuito feito atravs da instalao do conjunto de aterramento temporrio, que formado basicamente por cabos e grampos. Estes conectam as fases ao sistema de aterramento, tais como: a malha de aterramento da subestao, a estrutura e o contrapeso de uma linha de transmisso, o neutro de um alimentador de uma rede de distribuio dentre outros. O conjunto de aterramento temporrio considerado um equipamento de proteo coletiva (EPC), pois, uma vez instalado, vrios eletricistas podem trabalhar em um mesmo circuito, no mesmo instante. A figura 1.1 mostra um dos tipos de conjuntos de aterramento temporrio. Segundo a NR-10 (2004), o aterramento temporrio apenas poder ser executado aps se certificar de que o circuito esteja desligado, assim pode-se evitar que acidentes aconteam. O detector de tenso o equipamento que confirmar a ausncia de tenso neste circuito. Somente aps esta confirmao o conjunto de aterramento temporrio poder ser instalado.

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Grampos de fase

Cabo

Grampo de terra

Figura 1.1 - Tipo de Conjunto de Aterramento Temporrio Fonte: RITZ DO BRASIL, 2007

Para executar a instalao correta e segura do aterramento temporrio na instalao onde ser realizada a interveno, deve-se seguir procedimentos bem definidos. Seguir a seqncia de procedimentos evita a reincidncia de acidentes j ocorridos na tentativa de aterrar um circuito que estava energizado. Na maioria desses casos, o eletricista nada sofre, o que no ocorreria caso a seqncia no fosse seguida. Para que as equipes de manuteno possam executar o aterramento temporrio com segurana e rapidez, deve-se definir os procedimentos com antecedncia, a fim de execut-lo em curto tempo, do contrrio o procedimento ser inviabilizado, uma vez que os consumidores j estaro sem energia eltrica. A ttulo de exemplo, em linhas de transmisso de estruturas metlicas de porte mdio e convencional gasto aproximadamente uma hora para instalar e retirar o aterramento temporrio, e dependendo da manuteno necessria, pode ser que este tempo seja maior que o tempo para fazer a prpria interveno.

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A instalao do conjunto de aterramento temporrio tem como principal objetivo garantir a segurana do pessoal envolvido nas atividades de manuteno ou construo de instalaes eltricas desenergizadas. Caso ocorra uma energizao acidental, do circuito onde equipes trabalham, o conjunto de aterramento temporrio limitar a tenso de choque (DALZIEL, 1972) a valores seguros, far tambm com que a proteo opere e desligue instantaneamente o circuito, diminuindo o tempo de exposio ao choque. Portanto, o conjunto precisa suportar esses esforos eltricos e mecnicos do curto-circuito, at que o sistema seja desligado pela proteo. O aterramento temporrio possui outra importante funo, a de minimizar os efeitos das indues eletromagnticas provocadas por circuitos energizados que se localizam prximos ao circuito onde ser realizada a manuteno e conseqentemente o aterramento temporrio necessitar ser instalado. Com o aumento das tenses e das correntes dos sistemas eltricos, a induo tem se tornado cada vez mais importante e perigosa para as equipes de manuteno. Atualmente, so comuns grandes extenses de linhas de transmisso, com longos trechos de paralelismo, estruturas com circuito duplo, etc., estes so alguns fatores que contribuem para o agravamento desse fenmeno. A induo, eltrica ou magntica, se difere da energizao acidental por estar presente durante todo o tempo em que a interveno est sendo executada, portanto, qualquer erro pode ser fatal. Os procedimentos tradicionais de aterramento temporrio tm se mostrado inadequados quando os nveis de induo so muito elevados, principalmente em linhas de transmisso (MOUSA, 1982; FURNAS CENTRAIS ELTRICAS S.A., 1993). Estatisticamente, em acidentes cujas causas foram relacionadas ao aterramento temporrio, a maioria foi motivada por falha humana no descumprimento de uma ou mais etapas de um procedimento definido. Dentre estas falhas est o desrespeito aos cuidados especficos com a induo (FURNAS CENTRAIS ELTRICAS S.A., 2008; COMPANHIA ENERGTICA DE MINAS GERAIS, 2003b). Apesar disso, atualmente existem procedimentos no padronizados, j considerados de risco, que ainda so utilizados nas empresas (COMPANHIA DE TRANSMISSO DE ENERGIA ELTRICA PAULISTA, 2002).

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Nos procedimentos operacionais das empresas, comum a classificao das configuraes dos aterramentos temporrios de acordo com o local de sua instalao, conforme abaixo: Aterramento Local - instalado apenas no local de trabalho, ou seja, na estrutura onde ser realizada a manuteno; Aterramento das Estruturas Adjacentes - instalado apenas nas estruturas laterais ao local de trabalho onde ser realizada a manuteno; Aterramento Combinado - a juno das duas configuraes anteriores, ou seja, os aterramentos temporrios so instalados no local de trabalho e nas estruturas adjacentes.

1.2 Justificativa e Contribuies

Desde a dcada de 50 (HARRINGTON, 1954) o aterramento temporrio pesquisado, principalmente pelas concessionrias e empresas ligadas ao setor eltrico, que trabalham com intervenes em instalaes desenergizadas de baixa, mdia, alta e extra-alta tenses, pois, as conseqncias da sua m utilizao so bastante conhecidas. Treinamentos sobre como utilizar o aterramento temporrio so ministrados aos eletricistas usurios, entretanto, acidentes sempre aconteceram, continuam acontecendo, e no h como ignorar esse fato. No entanto, existem poucas publicaes sobre o assunto, uma vez que a maioria das instrues e procedimentos de trabalho so emitidos pelas reas de engenharia dentro das prprias empresas. Esse fato talvez possa ser justificado pelo motivo de as pessoas julgarem se tratar de um assunto simples, bastando somente instalar o conjunto de aterramento temporrio que os riscos estaro todos eliminados. Por isso, apesar de diariamente, centenas de eletricistas instalarem o aterramento temporrio, no Brasil, nem sequer h normas sobre esse assunto. Alm disso, atualmente existe uma falta de padronizao dos procedimentos e o uso de

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tcnicas duvidosas, j consideradas de risco, que ainda so utilizados nas concessionrias nacionais. (FURNAS CENTRAIS ELTRICAS S.A., 2008; COMPANHIA ENERGTICA DE MINAS GERAIS, 2003b; COMPANHIA DE TRANSMISSO DE ENERGIA ELTRICA PAULISTA, 2002). Assim, os resultados obtidos com este trabalho, podero contribuir para a elaborao de normas hoje inexistentes, aumentando a segurana fsica dos eletricistas e das instalaes, melhorando a segurana operacional do sistema, alm de propor uma padronizao de procedimentos de trabalho hoje diversificados.

1.3 Objetivos do Trabalho

Este trabalho tem como objetivo a determinao do melhor local para instalao do aterramento temporrio para realizao de intervenes nas linhas de transmisso desenergizadas, bem como o estudo da viabilidade do uso da chave de aterramento nas subestaes juntamente com o aterramento temporrio. Depois de realizado um estudo conceitual do problema, desenvolvido um modelo computacional utilizando o pacote de programas Alternative Transients Program (ATP) (CAUE, 1995; MEYER, LIU, 1995; NORUEGA, 2007), que complementado por um modelo para obteno dos potenciais de toque na regio da estrutura em estudo. Pretende-se com esta avaliao, propor uma padronizao quanto ao uso e instalao do aterramento temporrio em linhas de transmisso. Esse trabalho abordar os seguintes tpicos: a) Estudo do Estado da Arte do uso de aterramento temporrio em diversas instalaes existentes; b) Anlise da proteo oferecida pelo aterramento temporrio na estrutura; c) Determinao do melhor local para instalao do aterramento temporrio;

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d) Determinao da viabilidade do uso da chave de aterramento nas subestaes; e) Anlise da segurana do homem devido a potenciais de toque.

1.4 Organizao do Texto

Esse texto est organizado em seis captulos. No Captulo 1 est a introduo ao tema, apresentao do problema em linhas gerais e de como ele ser abordado ao longo do texto e, tambm a metodologia utilizada para o seu desenvolvimento. No Captulo 2 apresentada a reviso bibliogrfica realizada sobre Aterramento Temporrio. No Captulo 3 apresentado o acoplamento eletromagntico entre duas linhas de transmisso e os limites de segurana humana quanto diferena de potencial e correntes que os eletricistas esto submetidos no local de trabalho e a definio dos valores de impedncia do corpo humano utilizados nos clculos. No Captulo 4 so descritas as configuraes das linhas de transmisso utilizadas nas simulaes computacionais, modelos matemtico e computacional e tambm a configurao do aterramento temporrio para linha de transmisso. No Captulo 5 so citadas as exigncias normativas quanto obrigatoriedade do uso do aterramento temporrio, apresentadas as simulaes computacionais realizadas para as configuraes do aterramento temporrio, bem como os resultados encontrados, o clculo da distribuio de potenciais no solo e a proposta para a soluo do problema. No Captulo 6 so apresentadas algumas concluses e sugestes para trabalhos futuros.

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2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 Introduo

De acordo com o que foi discutido no captulo anterior, o aterramento temporrio pesquisado h bastante tempo, principalmente pelas concessionrias e empresas ligadas ao setor eltrico. No entanto, existem poucas publicaes sobre o assunto, uma vez que a maioria das instrues e procedimentos de trabalho so emitidos pelas reas de engenharia dentro das prprias empresas. Por isso, no Brasil, no h normas sobre esse assunto. Neste captulo ser apresentado o Estado da Arte sobre Aterramento Temporrio em redes de distribuio, subestaes e linhas de transmisso. Ser dada maior nfase em linhas de transmisso.

2.2 Conjuntos de Aterramento Temporrio

As normas internacionais aplicveis especificao de conjuntos de aterramento temporrio so a ASTM F855 (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, 2004) e a IEC 61230 (INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION, 1993). Os autores Reichman, Vainberg e Kuffel (1989), do Ontario Hydro Research, publicaram um projeto realizado junto com o Electric Power Research Institute (EPRI) e vrias concessionrias americanas. O objetivo principal deste projeto foi desenvolver um modelo computacional capaz de prever precisamente as caractersticas de falha de cabos de cobre para aterramento temporrio, em vrias condies de correntes de curto-circuito, realizando um nmero estatisticamente significativo de ensaios para verificar a validao e preciso deste modelo. Os cabos

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foram ensaiados de acordo com a ASTM F855, ou seja, montagem monofsica e cabos de 3 metros de comprimento, conforme figura 2.1.

Figura 2.1 - Arranjo do ensaio de corrente de curto-circuito Fonte: AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, 2004

A experincia passou por trs fases. Na primeira fase, foram realizados aproximadamente 160 ensaios em dois tipos de cabos de cobre, bitola 1/0 American Wire Gauge (AWG) nu e com capa protetora, com formaes diferentes, amarrados e desamarrados. Cada configurao foi ensaiada cinco vezes, com quatro nveis de correntes simtricas (52, 33, 24 e 17 kA), correspondentes a tempos de falha de aproximadamente 6, 15, 30 e 60 ciclos (100, 250, 500 e 1000 ms) respectivamente. Assim, foi obtido o tempo mdio de falha para cada situao. Comparando os resultados foi verificado que a formao dos cabos, o uso de capa protetora e se esto ou no amarrados, no introduzem diferenas maiores do que 10%, no sendo significativas na curva de fuso dos cabos. Na segunda fase foram realizados ensaios em cabos de cobre 2/0, 4/0 e 250 Mil Circular Mil (MCM), tambm com correntes simtricas. As curvas de fuso foram comparadas com os vrios modelos

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tericos e concluiu-se que o mtodo da ASTM foi o que apresentou a maior preciso. Na terceira, e ltima fase, foram verificados os efeitos da assimetria da corrente de curto (dc offset), religamento e instalao de cabos em paralelo. Foram realizados ensaios com onda totalmente assimtrica e X/R=19,3. Verificou-se por comparao que, enquanto os tempos de falha experimentais so praticamente iguais aos utilizados pelo modelo computacional, para ambas correntes, simtrica e assimtrica, a frmula de Onderdonk apresenta resultados conservativos para corrente simtrica e previses otimistas para corrente assimtrica. Isto enfatiza a necessidade do uso de mtodos capazes de levar em conta os efeitos da corrente assimtrica, pois, caso contrrio o cabo pode ser subdimensionado. A possibilidade de reduo do tempo de falha em funo de haver religamento tambm foi verificada. Foram realizados cinco ensaios em cabos nus 1/0 conforme segue: 1 - Corrente simtrica de 33,4 kA eficaz aplicada por aproximadamente 8 ciclos. 2 - A corrente foi interrompida pela abertura do disjuntor. 3 - Depois de aproximadamente 7,5 segundos, a corrente foi reiniciada e mantida at a falha do cabo. 4 - A durao total da falha foi considerada como a soma dos tempos obtidos em 1 e 3. Os resultados indicaram que a reduo nos tempos de falha praticamente desprezvel. Tambm foram testados arranjos com cabos em paralelo para se verificar a necessidade de fatores de correo. Foram montados dois cabos 1/0 com 3 metros de comprimento e instalados um prximo do outro, para minimizar o estresse mecnico. Foi aplicada corrente simtrica de 79 kA. Foram feitas trs aplicaes de corrente, onde os cabos se soltaram no ponto de conexo ao grampo antes mesmo de falharem. O melhor resultado foi com o uso de terminais compresso, que resistiu a 169 ms dos 176 ms previstos para a fuso do cabo, entretanto, o cabo soltou-se na conexo com o grampo. Os resultados indicaram que a performance do uso do cabo em paralelo limitada pelo tipo de terminais utilizados nas extremidades do cabo. Entretanto, no necessrio utilizar fator de correo para os cabos.

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Blackley e Crouse (1998) publicaram um artigo sobre um trabalho realizado em maio e setembro de 1997 no Bangor Hydro Electrics Safety Test Laboratory, Maine, Estados Unidos. O objetivo foi estudar a viabilidade de realizar ensaios de baixa corrente para avaliar as condies de uso de conjuntos de aterramento temporrio. Os ensaios foram feitos em cabos de cobre 2/0 com aproximadamente 7 metros de comprimento com grampos de aterramentos em ambas extremidades, aplicando 300 A e 120 V (ac). Foram realizados ensaios em quatro cabos, sendo um sem danos e outro com at 25% dos fios rompidos. Em ambos a queda de tenso foi de 0,72 V. Nos outros dois, com 50 e 75% de fios rompidos, foram medidas quedas de tenso de 0,75 e 0,78 V, respectivamente. Os autores concluram que este ensaio no eficaz para identificar defeitos em cabos com at 50% de fios rompidos. Alm disso, bem provvel que conexes inadequadas, sujas ou frouxas tambm no sejam detectadas por esses mtodos. Foram recomendados a inspeo visual, limpeza e torqueamento nas conexes entre grampos e cabos antes de cada uso do conjunto de aterramento temporrio, e, alm disso, imprescindvel que eles sejam bem armazenados e descartados caso sejam energizados com altas correntes. King (1998) da A.B. Chance Company, Centrlia, Estados Unidos, publicou um artigo sobre alguns ensaios que podem ser realizados nos conjuntos de aterramento temporrio, comparando vantagens e desvantagens de cada um. O autor afirma que, a maioria dos problemas que provocam o aumento da resistncia ocorre nas conexes entre cabos e terminais, terminais e grampos e outros componentes, devido corroso ou sujeira nas conexes frouxas. Cabos nus ligados a conexes prensadas sem uma terminao adequada so sujeitos corroso provocada pela umidade atmosfrica. Depois de um certo tempo, estas conexes apresentam elevada resistncia devido corroso em volta dos fios do cabo. King classifica os ensaios em visual / manual e eltrico, e afirma que estes ensaios so muito confiveis se realizados em conjunto. O autor sugere que os ensaios de baixa corrente sejam realizados em corrente contnua para eliminar os erros de leitura e variaes na repetibilidade causados pelos acoplamentos indutivos, quando a corrente alternada utilizada. Para evitar que o aquecimento altere o valor da resistncia, pode-se utilizar correntes de 10 a 25 A. Outro ensaio proposto o de medio de resistncia em corrente alternada com a aplicao de

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tenso no conjunto, onde a resistncia calculada e comparada com critrios de aceitao / rejeio de acordo com o tipo de cabo e terminal. O ltimo ensaio proposto o de elevao de temperatura, que pode ser feito aplicando-se uma corrente com valor elevado o suficiente para provocar aquecimento nos pontos de maiores resistncias. A temperatura pode ser medida com sensores infravermelhos de temperatura. Os resultados obtidos neste ensaio no so completamente satisfatrios, pois, o posicionamento e a distncia influenciam na leitura obtida. Conclui-se que esses mtodos so a melhor maneira, at o momento, de se avaliar a condio dos conjuntos de aterramento, baseando-se na corrente suportvel (withstand) conforme a ASTM, mas que no h maneira de se determinar com certeza capacidade mxima do conjunto (ultimate capacity) sem submet-lo a ensaios destrutivos. Sendo assim, h necessidade de treinar os eletricistas a realizarem os ensaios e estabelecer um programa de manuteno para que os conjuntos de aterramentos sejam avaliados em uma periodicidade definida ou em funo do uso.

2.3 Aterramento Temporrio em Redes de Distribuio

No h um guia para uso de aterramento temporrio para redes de distribuio areas, no entanto comum se utilizar o guia para linhas de transmisso IEEE Std 1048 (INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, 2003). Bonner e outros (1989) publicaram um artigo para determinar o mtodo mais eficaz de se fazer o aterramento temporrio em redes de distribuio com postes de madeira. Um estudo mostrou que os valores de tenso e corrente que o eletricista estar submetido, no caso de energizao acidental, depende da condutividade do poste. A resistncia eltrica varia muito pouco com a espcie da madeira, decresce medida que o gradiente de tenso aumenta e tem grande variao com a umidade e com o material utilizado para fazer o tratamento qumico. Para realizao dos ensaios foi montada uma linha experimental utilizando trs postes de pinho de 12 metros com tratamento pressurizado, com 10 anos de idade aproximadamente e

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resistncia de 18 k molhado a 2 M seco. Foi utilizado o cabo 336,4 MCM CAA no circuito primrio e cabo 4/0 CAA no neutro multi-aterrado. A resistncia de aterramento da linha foi de aproximadamente 18 . Para simular a resistncia do corpo humano, quando em contato com o condutor primrio, foi instalado um resistor de carbono de 911 com monitoramento da queda de tenso e corrente sobre ele. Os cabos de aterramento temporrio utilizados foram de cobre 1/0, com terminais roscados e grampos de aterramento com mordente serrilhado. Vrias situaes de trabalho foram simuladas, tais como: o eletricista tocando na fase e pisando no neutro, ou na carcaa aterrada de um transformador, ou com o p apoiado somente no poste e outros. A linha foi energizada com 7,2 kV por aproximadamente 14 a 18 ciclos. Foram aplicadas correntes de 4,2 a 5,7 kA, simulando curtos-circuitos monofsicos fase-terra, que so mais comuns de acontecerem. Foram simuladas situaes com aterramento no local de trabalho ou nas estruturas adjacentes, com e sem o uso do trapzio tipo sela. O pior resultado encontrado nos ensaios foi com um jumper na resistncia do poste, conforme mostrado na figura 2.2 A, onde a corrente Ihomem atingiu 1,88 A.

Figura 2.2 - Aterramento temporrio sem e com trapzio tipo sela Fonte: BONNER et al, 1989

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Os ensaios mostraram que a melhor configurao de aterramento para esse tipo de rede interligar (equipotencializar) as fases e conect-las ao neutro, interligando o trapzio tipo sela logo abaixo do p do eletricista, conforme mostrado na figura 2.2 B. Os ensaios tambm mostraram que o cabo de aterramento utilizado para conectar a carcaa do transformador ao neutro, promove um efeito similar ao trapzio tipo sela. Mueller e Richards (1989) publicaram um trabalho com simulaes computacionais e testes de campo, a fim de determinar o mtodo mais adequado para se instalar o aterramento temporrio em uma rede de distribuio de 34,5 kV com postes de madeira. Os autores chegaram a concluses similares s de Bonner e outros (1989). Concluram que, apesar dos postes de madeira no serem bons condutores eltricos, eles podem conduzir correntes eltricas fatais para o eletricista neste tipo de rede de distribuio. Tambm enfatizaram o uso de trapzio tipo sela e a equipotencializao das fases ao neutro para minimizar o risco de choque eltrico.

2.4 Aterramento Temporrio em Subestaes

O IEEE Std 1246 (INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, 2002) o guia para uso de aterramento temporrio em subestaes. Este guia recomenda uma srie de medidas relativas especificao, desempenho, uso, ensaios e instalao, alm de sugerir prticas e fornecer informaes tcnicas e critrios de segurana. Atwater e DeHaan (1999) do U.S. Bureau of Reclamation, publicaram um artigo com os resultados de ensaios de campo realizados com o objetivo de avaliar a eficcia dos aterramentos temporrios em equipamentos de alta tenso. Os experimentos foram conduzidos pelo prprio U.S. Bureau of Reclamation na usina hidroeltrica de Hoover, Nevada, Estados Unidos. Foram quatro ensaios na barra de 16,5 kV de um gerador de 115 MVA, que foi separado dos demais da usina para realizao dos ensaios. No primeiro ensaio somente a fase A foi aterrada. No segundo ensaio foi feita uma energizao trifsica onde cada uma das trs fases foi

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conectada malha de aterramento da usina e cada cabo foi amarrado, firme e separadamente, na metade da altura vertical, para evitar o chicoteamento. O terceiro ensaio similar ao segundo, porm, os cabos foram amarrados todos juntos. No quarto e ltimo ensaio, foi feita uma energizao trifsica com as fases curto circuitadas no alto, e somente a fase A, que no era a central, foi conectada malha de aterramento da usina. As tenses foram medidas nos terminais dos cabos de aterramento temporrio (V1) a cada energizao (FIG. 2.3), e em outros pontos do lado contrrio fonte, 4 metros e a 45 metros de distncia do cabo de aterramento (V2 e V3) respectivamente, para simular uma pessoa em contato com o barramento durante uma energizao acidental. Os divisores de tenso tinham uma impedncia de 500 para simular o equivalente ao corpo humano. Os resultados demonstraram que as tenses medidas do lado contrrio fonte eram maiores do que a queda de tenso no cabo de aterramento temporrio. Tal efeito foi atribudo induo que acontece no lao formado entre o cabo de aterramento temporrio, a malha de aterramento, a pessoa e o barramento. Os autores, inclusive, propuseram um mtodo para calcular tal efeito e demonstraram que houve correlao entre os valores medidos e calculados. O resultado do terceiro ensaio mostrou que, com os trs cabos amarrados juntos, o efeito indutivo reduzido, mas aumenta os riscos de um rompimento violento devido aos esforos durante uma falta. Entretanto, o aterramento somente da fase A, realizado no primeiro ensaio, apresentou o pior resultado, pois, esta configurao aumenta os efeitos do lao indutivo. O melhor resultado foi obtido com as fases curto circuitadas no alto, realizada no quarto ensaio, onde os valores de tenso foram muito inferiores e, portanto, seria a configurao preferencial.

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Figura 2.3 - Lao indutivo Fonte: ATWATER e DEHAAN, 1999

Lambert (2000) apresentou no International Conference on Transmission and Distribution Construction, Operations and Live-Line Maintenance (ESMO) os resultados de um trabalho executado por um grupo de dezesseis empresas, incluindo concessionrias e fabricantes, que fizeram uma parceria com o Georgia Institute of Technology e ao National Electric Energy Testing, Research & Applications Center (NEETRAC), Estados Unidos, para realizar ensaios em vrias configuraes de conjuntos de aterramento temporrio para subestaes, linhas de transmisso e redes de distribuio. O objetivo do trabalho foi avaliar os esforos mecnicos e o movimento dos jumpers devidos s foras do curto-circuito, medir as tenses e correntes a que os eletricistas ficariam expostos nas estruturas e as tenses de passo e toque no solo. Os ensaios foram realizados de 21 a 31 de agosto de 2000, no laboratrio de alta potncia da Powertech no Canad. Foram 32 ensaios trifsicos e 6 monofsicos, sendo as correntes de curto-circuito de 33 kA para cabo 2/0, 50 kA para cabo 4/0 e 60 kA para mltiplos cabos, todas com fator de assimetria de 1,8 (offset) em uma das fases e 8 ciclos de durao. Foram montados arranjos com colunas de isoladores tipo pedestal e estruturas tubulares de ao, tpicas de subestaes, que serviram de suporte para os barramentos tubulares de alumnio, com vrias hastes soldadas para instalao do conjunto de aterramento temporrio. No caso de linhas de transmisso e redes de distribuio, foram utilizados postes de madeira. Houve falhas no corpo dos grampos, nos terminais,

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nas hastes de conexo com o barramento e com a malha de aterramento. Algumas hastes de alumnio quebraram e outras ficaram soldadas ao corpo do grampo. Dos cinco testes de 50 kA realizados, trs apresentaram falhas. Dos quatro testes de 60 kA utilizando dois cabos 2/0 ou 4/0 por fase, todos jumpers falharam violentamente nos primeiros 4 ciclos. Lambert lana uma dvida sobre como as concessionrias podero proteger seus trabalhadores contra curtos-circuitos de 60 kA ou superior, uma vez que todos os conjuntos falharam. Ento, sugere que a norma ASTM F855 seja revisada para contemplar fatores de assimetria acima de 1,2 e que sejam previstos ensaios em hastes fixas (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, 2004). Tambm sugere a reviso da norma IEEE Std 1048 para definir critrios mais claros sobre as vrias maneiras de se fazer o aterramento temporrio (INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, 2003).

2.5 Aterramento Temporrio em Linhas de Transmisso

O IEEE Std 1048 (INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, 2003) o guia para uso de aterramento temporrio em linhas de transmisso. Este guia tambm recomenda uma srie de medidas relativas especificao, desempenho, uso, ensaios e instalao, alm de dar nfase maior nos aspectos de induo, aterramento de veculos e cuidados com terceiros. Harrington e Martin (1954) publicaram um trabalho detalhando ensaios realizados em uma linha de transmisso com estruturas metlicas, sem cabos praraios, Bonneville - Vancouver, Canad. A fase A desta linha foi energizada atravs de um banco de transformadores de 13,8 kV fase-terra, montado provisoriamente em uma das subestaes. Desta forma, quando a linha foi energizada, a corrente fluiu via solo para a subestao, circulando pelo aterramento da(s) estrutura(s) onde o(s) conjunto(s) de aterramento estava(m) instalado(s). Foram simuladas vrias situaes, das quais as trs principais so apresentadas a seguir: 1 - aterramento da estrutura sob teste, 2 - aterramento das estruturas adjacentes,

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3 - aterramento da estrutura sob teste e das simultaneamente.

estruturas

adjacentes,

Foram medidas as tenses entre a fase A e a estrutura e entre a estrutura (p da torre) e hastes instaladas no solo distantes de 0,6, 1,2, 5 e 78 metros nas trs situaes. Os resultados encontrados esto na Tabela 2.1. Foram utilizados conjuntos de aterramento temporrio com cabo 4/0 e cada energizao teve durao de 167 ms (10 ciclos).

TABELA 2.1 Valores Encontrados nos Ensaios Diferena de Potencial (kV) eficaz Situao Linha-Torre P da Torre- P da Torre- P da Torre- P da Torre0,6 m 1,2 m 5m 78 m 0 12,6 0 2,58 0 2,04 4,25 0 3,55 9,14 0 7,55 11,6 0 9,45 Corrente de Falta (A) eficaz 730 795 1.240

1 2 3

Fonte: HARINGTON e MARTIN, 1954

Analisando os resultados, os autores concluram que o aterramento somente nas estruturas adjacentes no garante a segurana do eletricista no local de trabalho, devido elevada diferena de potencial encontrada, mas que o aterramento no local parece ser seguro. No entanto, as tenses medidas no solo so muito elevadas, com valores bastante superiores aos limites de segurana, mesmo quando so utilizados mais aterramentos em paralelo, situao 3, pois h um aumento da corrente de curto em funo da reduo da impedncia envolvida no circuito. Mousa (1982) da B. C. Hydro and Power Authority, Vancouver, Canad, publicou um artigo sobre a necessidade do uso de chaves de aterramento, existentes nas chaves seccionadoras nos terminais de sada das linhas de transmisso nas subestaes. Estas chaves so utilizadas para se fazer o aterramento temporrio nas extremidades da linha de transmisso, sendo um

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procedimento comum em muitas concessionrias quando da necessidade de interveno com o circuito desenergizado. Em linhas de transmisso de extra alta tenso, principalmente com longos trechos de paralelismo e com carregamento elevado, as indues impostas ao circuito desenergizado podem ser bastante elevadas e causar problemas, tais como: Circulao de corrente induzida de regime permanente nos ps de torre, estais de ancoragem e eletrodos de aterramento, causando potenciais de toque e passo perigosos, e solicitao trmica dos eletrodos de aterramento; Dificuldade na interrupo do arco durante a retirada do aterramento temporrio; Dificuldade na interrupo do arco durante a abertura da chave de aterramento. Estas linhas so comumente conhecidas como linhas de alta induo. Em uma interveno de uma linha de transmisso prxima a tais linhas, onde o aterramento realizado atravs de chaves de aterramento em ambas as extremidades, cria-se um grande lao (circuito fechado apresentando grande rea de induo) por onde circulam correntes elevadas. O autor explica que os nveis de induo dependem da configurao da chave de aterramento, conforme figura 2.4, e explicado a seguir: a) Ambas as chaves de aterramento esto abertas. Os nveis de induo eletrosttica encontrados independem da localizao do aterramento temporrio ao longo da linha. b) A chave de aterramento mais distante est fechada. Os nveis de induo eletromagntica encontrados alcanam o valor mximo quando o aterramento temporrio colocado prximo do final da linha onde a chave de aterramento est aberta. c) A chave de aterramento mais prxima est fechada. Neste caso os nveis de induo eletromagntica encontrados alcanam o mximo quando o aterramento temporrio colocado no meio da linha.

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d) Ambas as chaves de aterramento esto fechadas.

Figura 2.4 - Configuraes das chaves de aterramento Fonte: MOUSA, 1982

A figura 2.5 mostra nveis de induo para as quatro configuraes dadas na figura 2.4, conforme a seguir: 1 - A capacidade de interrupo cai quando R aumenta. 2 - A queda de tenso IgR aproxima da tenso de circuito aberto quando R mximo. 3 - A Energia dissipada mxima quando a resistncia de terra igual magnitude da impedncia equivalente da fonte. 4 - A Energia dissipada mxima Ig2R proporcional ao comprimento de exposio.

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5 - A razo entre a energia dissipada mxima por induo eletrosttica e a energia dissipada mxima por induo eletromagntica para qualquer dos trs circuitos 2b, 2c ou 2d independente do comprimento de exposio.

Figura 2.5 - Nveis de induo no aterramento temporrio Fonte: MOUSA, 1982

O

fenmeno

da

induo

danifica

as

chaves

de

aterramento

das

seccionadoras, alm de provocar arco eltrico no conjunto de aterramento quando este instalado e retirado da linha, causando danos nos grampos de aterramento, alm de se tornar um procedimento que coloca em risco a segurana do eletricista (INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, 2003). A figura 2.6 mostra este fenmeno.

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Figura 2.6 - Arco eltrico na instalao do aterramento temporrio em uma LT 500kV Fonte: FURNAS CENTRAIS ELTRICAS S.A., 2008

O autor apresenta outras desvantagens do uso das chaves de aterramento: Onde h apenas um aterramento temporrio na linha, o uso da chave de aterramento aumenta o choque devido ao fluxo de correntes eletromagnticas induzidas; No caso de uma linha com diversos aterramentos temporrios instalados, quando as chaves de aterramento so abertas, genericamente resulta em um aumento de ambos os nveis de induo no local de trabalho; Com as chaves de aterramento fechadas, um erro do operador pode resultar numa falta trifsica de impedncia zero no barramento. Isto imporia severas solicitaes sobre os disjuntores. Tambm incidentes de fechamento da chave de aterramento no barramento energizado podem acontecer, entretanto, o eletricista que estivesse em contato com alguma parte energizada, estaria protegido; O aumento no carregamento do circuito paralelo impe um aumento no servio da chave de aterramento que eventualmente excede sua capacidade; Abertura da chave de aterramento sob condies de vento pode causar arco saltando em direo a extremidade energizada da chave. Isto causaria uma falta fase-terra resultando ento em risco de choque.

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Mousa (1982) apresenta tambm ensaios realizados em campo numa linha de 500 kV com o comprimento de exposio de 282 km e carregamento no circuito paralelo de 1.300 a 1.400 A. A resistncia para terra nos locais de ensaio foram de 4 at 44 ohms. Os ensaios confirmaram que o fechamento das chaves de aterramento no fornece alterao favorvel nos nveis de induo mesmo no caso onde diversos aterramentos temporrios so simultaneamente instalados na linha. Ento, o autor conclui que as chaves de aterramento no devem ser utilizadas em nenhuma linha, mesmo em linhas sem problemas de induo, independente do nvel de tenso. Alm disso, cita ainda que a prtica de aterramento temporrio de todas as fases necessria e deve ser mantida onde necessria a estabilidade da zona de equalizao de potencial (no caso de linhas de tenses mais baixas). Como a energizao acidental trifsica minoria das causas de acidentes, o aterramento temporrio das trs fases resulta em algumas desvantagens como segue: Aumento das correntes de induo de regime permanente atravs do p de torre / eletrodo de aterramento. Isso aumenta o potencial de passo e aquecimento dos eletrodos de aterramento; Requer que o eletricista faa escaladas adicionais e/ou caminhadas adicionais at alturas elevadas, causando o aumento do risco de queda; Aumenta o fluxo de corrente atravs do conjunto de aterramento, alm de criar foras eletromagnticas que podem causar movimentos violentos nos condutores e ferimentos nos eletricistas. No Brasil algumas concessionrias j eliminaram o uso da chave de aterramento nas intervenes das linhas de transmisso (FURNAS CENTRAIS ELTRICAS S.A., 2008; COMPANHIA ENERGTICA DE MINAS GERAIS, 2003b). Em ensaios realizados por Furnas, foram medidas correntes de mais de 200 A no cabo do aterramento temporrio, causando choques nos estais das torres, ressecamento do solo, danos trmicos nos cabos contrapesos e riscos de combusto espontnea da vegetao, alm de provocar danos nos grampos de aterramento devido ao arco eltrico criado durante a instalao e retirada do conjunto. Entretanto, atualmente ainda existem procedimentos utilizados nas empresas onde as chaves de aterramento so usadas, contrariando o que foi apresentado por Mousa (1982), alm provar a existncia de falta de padronizao

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dos procedimentos entre as concessionrias nacionais (FURNAS CENTRAIS ELTRICAS S.A., 2008; COMPANHIA ENERGTICA DE MINAS GERAIS, 2003b; COMPANHIA DE TRANSMISSO DE ENERGIA ELTRICA PAULISTA, 2002). Atwater, DeHaan e Romero (2000) publicaram os resultados de ensaios realizados em duas linhas de transmisso da Western Area Power Administration (WAPA) em conjunto com U.S. Bureau of Reclamation, ambos com sede no Colorado, Estados Unidos. Os primeiros ensaios foram realizados, aproximadamente na metade do comprimento (60 km), de uma linha de 230 kV (Kayenta-Shiprock), circuito simples, com dois cabos pra-raios conectados eletricamente nas estruturas metlicas, situada entre os estados do Arizona e do Novo Mxico, Estados Unidos. O valor da resistncia de p de torre do local de trabalho encontrado foi de 6,6 . O arranjo da subestao de Shiprock foi alterado, sendo duas fases desconectadas, possibilitando apenas a energizao da fase A e um curto fase-terra. Foram utilizados cabos de cobre 2/0 AWG com 6 metros de comprimento para o aterramento temporrio, conectados entre a fase e a cantoneira da estrutura metlica. As configuraes de aterramento, os pontos de medio da corrente de falta e tenses esto mostradas na figura 2.7. Foram ensaiadas quatro configuraes de aterramento: 1 - Aterramento nas estruturas adjacentes das trs fases. 2 - Aterramento local e nas estruturas adjacentes das trs fases. 3 - Aterramento local somente da fase A. 4 - Aterramento local das trs fases.

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Figura 2.7 - Configuraes do aterramento temporrio LT 230 kV Fonte: ATWATER, DEHAAN e ROMERO, 2000

As correntes de falta variaram de 143 a 1.750 A. Os ensaios mostraram que, para todas as configuraes de aterramento, as tenses de toque e transferncia no solo so elevadas, variando de 500 a 1.250 V. Para as configuraes 2, 3 e 4 as tenses de toque, metal a metal, no topo da estrutura variaram de 0,33 a 4,5 V, enquanto para a configurao 1 chegou a 35 V, o que para linhas com correntes de falta mais elevadas pode representar um risco. Nas configuraes 3 e 4, a maioria da corrente de falta fase-terra foi para os cabos pra-raios. As correntes nos quatro ps da torre foram iguais, assim como as correntes nos dois cabos pra-raios. O segundo conjunto de ensaios foi realizado em uma linha de 500 kV (Mead-Perkins), circuito simples, com dois cabos pra-raios eletricamente isolados das estruturas metlicas, entretanto, com gaps para conexo fase-terra durante uma falta, a aproximadamente 2 km da subestao Mead (fonte da corrente de falta) no estado de Nevada, Estados Unidos. O valor da resistncia de p de torre encontrado no local de trabalho encontrado foi de 8,1 ohms. Foram utilizados dois cabos de cobre 2/0 AWG em paralelo por fase com 8 metros de comprimento para o aterramento temporrio. Nesta linha somente as configuraes 3 e 4 foram ensaiadas com energizaes trifsicas. As configuraes e os pontos de medio da corrente de

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falta e tenses esto mostradas na figura 2.8. As correntes de falta variaram de 11.140 a 14.930 A. Os resultados demonstraram que para a configurao 3 as tenses de toque e transferncia no solo so muito elevadas, chegando a 7.380 V no local do aterramento e at 5.800 V nas torres adjacentes. Para a configurao 4 os valores das tenses foram comparativamente pequenos, no mximo 675 V, pois, houve o cancelamento das trs correntes. No entanto, elevadas tenses de toque e transferncia, da ordem de 17.100 V de pico, foram medidas durante 1/6 de ciclo durante a interrupo da corrente de falta, originando um pulso de 1/6 de ciclo de 60 Hz, aproximadamente 0,003 segundo, que no definido nos estudos de Dalziel (1972) e Kouwenhoven (1959) sobre choque eltrico e nem em norma IEEE Std 80 (2000), mas os autores acreditam que possa impor um choque perigoso. A tenso (V3) entre o condutor e a torre variou de 43,5 a 52,1 V, enquanto a queda de tenso no cabo do aterramento temporrio (V2) variou de 14,1 a 17,3 V.

Figura 2.8 - Configuraes do aterramento temporrio LT 500 kV Fonte: ATWATER, DEHAAN e ROMERO, 2000

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Os autores enfatizam a importncia de se analisar o efeito indutivo no lao formado e concluem dizendo que os potenciais que surgem no solo so perigosos e que medidas de segurana adicionais, tais como: evitar o contato com a estrutura, utilizar tapetes isolantes e evitar que pessoas no autorizadas se aproximem, possam ser implementadas. Ressaltam as configuraes com o aterramento no local de trabalho do maior segurana na torre do que o aterramento nas torres adjacentes e que aterrar as trs fases o melhor mtodo, a no ser que outras condies de risco levem a optar pelo aterramento somente de uma das fases. Nesses casos, deve-se tratar as outras fases como se estivessem energizadas, ou seja, mantendo as distncias mnimas de segurana. Finalizam dizendo que, do ponto de vista de controle de tenses no local de trabalho, a configurao 2 revelouse levemente superior s configuraes 3 e 4. Portanto, o trabalho de se instalar aterramentos adicionais nas estruturas adjacentes no se justifica, pois, a reduo de tenso alcanada no suficiente para garantir a segurana dos eletricistas, para a maioria das situaes. Atwater, DeHaan e Romn (2001) publicaram um artigo com resultados de ensaios de campo realizados em uma linha de 115 kV da Puerto Rico Electric Power Authority (PREPA) situada em Canovanas, Porto Rico, em parceria com o U.S. Bureau of Reclamation. Sete configuraes de aterramento temporrio foram ensaiadas em estruturas tipo H com postes de madeira. Foram utilizados cabos de aterramento de cobre 2/0 AWG em diferentes configuraes. A corrente de falta monofsica fase-terra calculada foi de 5 kA eficaz. Energizaes monofsicas, fase B, foram escolhidas para reduzir a severidade dos distrbios no sistema eltrico e maximizar as tenses no local do ensaio. Alm disso, este tipo de falta, fase-terra, a que tem maior probabilidade de ocorrer em linhas de transmisso. As figuras 2.9, 2.10 e 2.11 mostram os diversos arranjos e pontos de medio das tenses e correntes. Estas grandezas foram medidas em mdulo e ngulo. A tenso Vs1 corresponde a uma tenso de passo (1 metro) iniciada a 30 cm da haste de aterramento. As tenses Vt1 e Vt2 foram medidas a 1 metro de distncia da haste de aterramento ou fio de descida e correspondem s tenses de toque. E a tenso de transferncia Vt3 foi medida a 10 metros da haste de aterramento. As tenses Vt1, Vt2, Vt3 e Vs1 foram medidas utilizando placas de metal com 14 cm de dimetro, simulando o p do eletricista em contato com o solo. Os valores das correntes de

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falta variaram de 2,4 kA, no ensaio 7 a 4,8 kA, no ensaio 6. Como era esperado, os ensaios de 1 a 3 apresentaram os piores resultados, pois, criaram duas referncias de potencial diferentes de aterramento. Uma formada pelos cabos das fases, aterramento temporrio e haste, e a outra formada pelo poste, fios de descida e cabos pra-raios PR1 e PR2. Alm disso, toda a corrente de curto-circuito teve que ser escoada via haste de aterramento, provocando as maiores tenses de passo e toque, onde Vt3 foi superior a 20 kV.

Ensaios 1 e 2 - Aterramento somente na haste

Figura 2.9 - Ensaios torre tipo H com postes de madeira, sem trapzio tipo sela Fonte: ATWATER, DEHAAN e ROMN, 2001

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Ensaios 3, 4 e 5 - Aterramento com trapzio tipo sela em um poste

Figura 2.10 - Ensaios torre tipo H com postes de madeira, utilizando trapzio tipo sela em um poste Fonte: ATWATER, DEHAAN e ROMN, 2001

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No ensaio 3, houve um arco entre o trapzio tipo sela e o fio de descida, sendo que a tenso pr-arco chegou a 29 kV de pico. As tenses Vw e Vwl foram medidas entre o fio de descida e um prego cravado no poste de madeira. Esta montagem foi realizada a fim de simular o eletricista escalando o poste utilizando esporas, que uma prtica muito comum. Tambm foram medidas tenses Vz1, entre a fase B e o fio de descida, que alcanou valores acima de 24 kV eficaz. Foi claramente identificada a necessidade de se conectar todos os elementos do sistema de aterramento em um mesmo potencial. Nos ensaios 4 e 5 houve uma reduo significativa das tenses medidas no topo do poste, Vz1, Vz2, Vt4 e Vt5, entretanto com valores muito acima dos limites de segurana. Os melhores resultados encontrados foram nos ensaios 6 e 7, quando o trapzio tipo sela foi instalado no poste, obtendo valores dentro dos limites de segurana, no ultrapassando 29 V. Entretanto, no ensaio 7, quando os cabos praraios foram conectados aos aterramentos temporrios, as tenses no solo foram bastante reduzidas, mas ainda muito acima dos limites de segurana, sendo necessrios outros procedimentos de segurana, por exemplo, isolamento do local de trabalho. O valor da tenso Vc foi medido, nos ensaios 6 e 7, comprovando a necessidade de se avaliar o efeito do lao indutivo, uma vez que as tenses Vz1 foram mais de trs vezes o valor de Vc.

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Ensaios 6 e 7 - Aterramento com trapzio tipo sela nos dois postes

Figura 2.11 - Ensaios torre tipo H com postes de madeira, utilizando trapzio tipo sela em dois postes Fonte: ATWATER, DEHAAN e ROMN, 2001

2.6 Concluses

Pode-se verificar, baseando na bibliografia pesquisada, que o assunto aterramento temporrio passou a ser de interesse de vrios segmentos, tais como: concessionrias, universidades, fabricantes, dentre outros. Verifica-se ainda existir questionamentos quanto maneira de se fazer o aterramento temporrio nas mais diversas configuraes das instalaes eltricas. Alm disso, h tambm a preocupao com a real condio dos conjuntos de aterramento temporrio em campo, sendo necessrio criao de procedimentos de ensaios para esta

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avaliao. Sendo assim, ensaios com configuraes reais e experimentais, em laboratrios, e simulaes computacionais tm sido realizadas. Contudo, no Brasil, este assunto pouco pesquisado e divulgado, causando divergncias entre os procedimentos nas empresas usurias dos conjuntos de aterramento, como j mencionado anteriormente. Est claro que no h um consenso sobre qual o melhor mtodo de instalao do aterramento temporrio, e seria pretenso imaginar a possibilidade da criao de um nico mtodo para todas as aplicaes. Entretanto, possvel determinar, para um tipo de instalao, a maneira melhor e mais segura de se realizar o aterramento temporrio. A bibliografia permite concluir que as chaves de aterramento no devem ser utilizadas para aterramento temporrio nas extremidades das linhas de transmisso, pois, no fornecem alterao favorvel nos nveis de induo, alm de seu uso apresentar vrias desvantagens. Quanto prtica de aterramento temporrio de todas as fases, esta necessria e deve ser mantida onde necessria a estabilidade da zona de equalizao de potencial, no caso de linhas de tenses mais baixas, onde as distncias entre as fases so reduzidas, dificultando a movimentao na estrutura caso todas as fases no estejam aterradas.

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3 ACOPLAMENTO ELETROMAGNTICO E LIMITES DE SEGURANA HUMANA

3.1 Introduo

Devido s caractersticas fsicas e geomtricas das linhas de transmisso de energia eltrica, estas provocam uma grande e variada gama de problemas, que podem ser caracterizados de forma ampla, como interferncias eletromagnticas. O termo interferncias eletromagnticas utilizado de forma bastante abrangente, incluindo todos os aspectos de alta e baixa (60 Hz) freqncias. Segundo Alves e Ribeiro (1996), as interferncias causadas pelas linhas de transmisso podem ser apresentadas resumidamente como a seguir: Interferncias em 60 Hz: importante sob o ponto de vista da segurana dos seres vivos e da integridade dos equipamentos e/ou componentes do sistema interferido. Interferncias em Altas Freqncias: importante sob o ponto de vista de qualidade do servio prestado pelo sistema interferido. Este trabalho se limita discusso das interferncias em 60 Hz causadas pelas linhas de transmisso. As interferncias em 60 Hz ocorrem atravs dos seguintes mecanismos de acoplamento entre uma linha de transmisso e outra linha ou estrutura (um duto metlico, por exemplo): Acoplamento magntico (indutivo) (*) Acoplamento resistivo (*) Acoplamento eletrosttico (capacitivo)

(*) Normalmente predominantes sob condies de curto-circuito.

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3.2 Acoplamento Eletromagntico

Devido aos acoplamentos eletromagnticos existentes entre as linhas de transmisso e distribuio e circuitos em suas proximidades, tais como: linhas telefnicas, linhas telegrficas, dutos, cercas, etc., tenses so induzidas nestes circuitos durante o funcionamento normal das linhas (tenses induzidas de regime permanente) ou durante curtos-circuitos nas mesmas (tenses induzidas de curta durao). Estas tenses podem atingir nveis que causam danos em equipamentos conectados a estes circuitos, ou mesmo de seus isolamentos, como um cabo telefnico, por exemplo. Estas tenses podem ainda comprometer a segurana de pessoas que venham a ter contato com estes circuitos, e/ou comprometer a qualidade dos servios prestados pelo circuito induzido, como gerar rudos no caso de circuitos de comunicao, por exemplo. A figura 3.1 ilustra os acoplamentos capacitivo e magntico existentes entre dois circuitos de uma linha de transmisso. Estes acoplamentos geralmente variam consideravelmente de intensidade ao longo dos circuitos envolvidos, devido a eventuais aproximaes ou cruzamentos entre eles ou variao de resistividade do solo, que influencia diretamente no acoplamento resistivo.

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Figura 3.1 - Acoplamentos capacitivo e indutivo Fonte: INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, 2003

O modelo utilizado neste trabalho possui nove condutores, divididos em duas linhas de transmisso, onde os acoplamentos capacitivo e indutivo, entre os condutores de cada LT e entre cada condutor de uma LT com os condutores da outra LT so considerados. O modelo considera ainda a influncia do solo nos acoplamentos. O detalhamento desse modelo est apresentado no item 4.5. Como exemplo, a figura 3.2 mostra um modelo para uma linha de trs fios.

Figura 3.2 - Acoplamento eletromagntico Fonte: MEYER e LIU, 1995

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3.3 Limites de Segurana Humana

3.3.1 Tenses no Local de Trabalho

Quando um condutor aterrado energizado, a corrente que flui por partes aterradas pode resultar diferenas de potenciais perigosos entre estas partes se o aterramento for inadequado. A figura 3.3 ilustra posies de trabalho no alto de estruturas onde tenses anormais podem aparecer e a figura 3.4 ilustra o diagrama eltrico equivalente de um aterramento temporrio instalado e um eletricista no local de trabalho.

Figura 3.3 - Posies de trabalho onde potenciais anormais podem aparecer Fonte: INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, 2003

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Figura 3.4 - Diagrama eltrico equivalente Fonte: RITZ DO BRASIL, 2000

A figura 3.5 mostra tenses de toque e passo em uma estrutura que podem ser perigosas aos trabalhadores no solo. O potencial de toque ocorre quando uma linha desenergizada aterrada, e recebe induo de outra linha paralela. A corrente injetada no solo causa diferentes potenciais no local. Ao tocar a estrutura, cujo potencial mximo, o eletricista se coloca entre dois potenciais diferentes, e dependendo das condies, pode sofrer um choque eltrico. O potencial de passo ocorre na mesma situao, porm mais afastado da estrutura, onde ocorre uma diferena de potencial entre os ps. O aterramento adequado resultar em uma reduo do risco de choque eltrico no local de trabalho e procedimentos de trabalho adequados minimizaro a exposio tenso de toque na estrutura.

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Figura 3.5 - Tenses de toque e passo Fonte: INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, 2003

3.3.2 Limites de Corrente pelo Corpo

Os limites basicamente so referentes s mximas correntes de choque a que os trabalhadores podero ser submetidos. Os guias IEEE Std 80 (2000) e IEEE Std 1048 (2003) para linhas de transmisso e subestaes, respectivamente, admitem a utilizao das equaes de Dalziel (1972), as quais garantem que 99,5% das pessoas no apresentaro fibrilao ventricular se submetidas s seguintes correntes de choque:

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I mA =

116 t 157 t

para pessoas com 50 kg

(3.1)

ouI mA =

para pessoas com 70 kg

(3.2)

Onde: t = tempo de durao do choque, entre 0,03 e 3 segundos.

Os limites da corrente de no largar (let-go) tambm devem ser considerados, devido principalmente s indues. Utilizando-se os mesmos critrios anteriores pode-se considerar 9 e 16 mA, para 50 e 70 kg, respectivamente (DALZIEL, 1972; INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, 2003 e 2000). Por outro lado, existem recomendaes da NBR-5410 (1997) e NR-10 (2004) de controles de potenciais para tenses inferiores a 50 V. O prprio guia IEEE Std 80 (2000) cita em seu item 6 a referncia Biegelmeier1, 2

que recomenda 50 mA

como um valor de corrente mxima permitida pelo corpo humano sem que haja fibrilao ventricular. Este valor quando aplicado resistncia de 1.000 do corpo humano, conforme item 3.3.3, resulta no valor de 50 V de regime permanente permitido pelas normas brasileiras. A tabela 3.1 apresenta estes dados e permite uma comparao entre eles. A figura 3.6 mostra um grfico com as curvas referentes s equaes de Dalziel (1972) e ao estudo de Biegelmeier 1, 2.

1

Biegelmeier, U. G., Die Bedeatung der Z-Schwelle des Herzkammerfilim-merns fur die Festlegung von Beruhrunggsspanungs greuzeu bei den Schutzma Bradhmer gegen elektrische Unfate, E&M, vol. 93, n. 1, p. 1-8, 1976. 2 Biegelmeier, U. G., and Rotter, K., Elektrische Widerstrande und Strome in Merischlicken Korper," E&M, vol. 89, p. 104-109, 1971.

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Figura 3.6 - Limites de corrente no corpo humano Fonte: INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, 2000

Sero utilizados os critrios para 70 kg, o local onde o aterramento temporrio ser instalado, ter isolamento fsico e acesso restrito aos eletricistas, homens adultos, que estaro sujeitos a esses choques.

3.3.3 Impedncia do Corpo

Segundo o guia IEEE Std 80 (2000), o corpo humano possui basicamente duas resistncias em srie: a resistncia interna e a resistncia da pele. Usualmente a resistncia total considerada como 1.000 para determinar o limite de corrente suportvel pelo corpo e para o clculo dos potenciais de passo e toque que o eletricista poder estar submetido no solo. Entretanto, segundo o guia IEEE Std 1048 (2003), o valor desta resistncia total altera profundamente entre as pessoas, principalmente devido a parmetros fisiolgicos, tais como: hidratao, nutrio, anatomia, musculatura, etc. A figura 3.7

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mostra o corpo humano modelado, dividido em resistncias internas, da pele (RS), das mos (RH), do calado (Rf) e de contato ou aterramento dos ps (Rg).

Figura 3.7 - Corpo humano eletricamente modelado Fonte: INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, 2003

Cada uma destas variveis pode ser estimada, de acordo com a condio de choque, ou seja, de acordo com o tipo de manuteno que ser realizada. Por exemplo, se a pessoa utilizar calado, luvas, se estar molhada ou seca, tipo do tecido da roupa que estar utilizando, dentre outros. Na manuteno com o uso de aterramento temporrio, o circuito desenergizado e aterrado, e o eletricista escala as estruturas para fazer a interveno. Em muitos casos esta manuteno realizada sob chuva durante horas e, alm disso, o eletricista no toca a estrutura apenas com os ps e as mos, e sim com todo seu corpo, tornando a condio de choque muito severa, reduzindo bastante o valor da resistncia total do corpo. Devido a este fato, assim como citado por Junior (2005) e Obrien (1983), todas as resistncias internas foram desprezadas, sendo considerado o valor de 500 como resistncia total.

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3.3.4 Queda de Tenso Mxima no Corpo

A queda de tenso e corrente mximas permitidas, devido s interferncias eletromagnticas em regime permanente ou durante uma energizao acidental, entre dois pontos de contato do corpo humano, podem ser calculadas com as informaes descritas acima, para garantir a segurana pessoal. Utilizando a equao (3.2) e os tempos especificados na norma IEC 61230 (1993) para dimensionamento de conjuntos de aterramento temporrio, foram calculadas a queda de tenso e corrente mximas permitidas e os resultados destes clculos esto apresentados na tabela 3.1. Subentende-se que foram utilizados os valores de 50 mA (corrente mxima permitida pelo corpo humano) e 1.000 (resistncia do corpo humano), ambos definidos no guia IEEE Std 80 (2000), para obter-se o valor mximo de queda de tenso no homem de 50 V, conforme definido na norma NR-10 (2004) e NBR-5410 (1997). Este valor tambm foi colocado na tabela 3.1.

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TABELA 3.1 Valores de Queda de Tenso e Corrente Mximas Permitidas Corrente (mA) na torre 0,1 0,25 0,5 1,0 2,0 3,0 Regime Permanente Regime Permanente1 2 1 2

Resistncia do homem Queda de tenso mxima () no solo no homem (V) na torre 248,3 157,0 111,0 500 1.000 78,5 55,5 45,3 8,0 25,0 no solo 496,5 314,0 222,0 157,0 111,0 90,6 16,0 50,0

Tempo (s)

496,5 314,0 222,0 157,0 111,0 90,6 16,0 50,0

referente aos limites de let-go. referente aos limites sem que haja fibrilao ventricular.

Fonte: DALZIEL, 1972; INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISION, 1993; INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, 2000

3.4 Concluses

Assim, a anlise dos nveis de tenses e correntes que os eletricistas estaro submetidos no local de trabalho de grande importncia para a determinao da configurao mais adequada do aterramento temporrio, minimizando a exposio tenso de toque, bem como tenso atravs do homem quando em trabalho na estrutura, reduzindo assim o risco de acidente eltrico. Pde-se verificar que, para garantir a segurana pessoal, os valores de queda de tenso e corrente mximas permitidas entre dois pontos de contato do corpo humano, em regime permanente, so muito pequenos quando comparados com os valores permitidos durante uma energizao acidental, pois os eletricistas estaro submetidos a estes valores durante todo o tempo gasto na interveno.

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4 CONFIGURAES DAS LINHAS DE TRANSMISSO E MODELO COMPUTACIONAL

4.1 Introduo

No estudo de sistemas eltricos de potncia, muitas vezes torna-se conveniente e necessrio a adoo de modelos fsicos e matemticos que representem, da forma mais adequada possvel, o comportamento real do que est sendo estudado em escala macroscpica. A introduo de modelos teve grande desenvolvimento no sculo XIX, por intermdio dos trabalhos de Faraday, Kelvin, Maxwell e Thomson. Em tese, os modelos no precisam corresponder realidade em termos microscpicos, mas sua utilizao est condicionada a uma eficiente aproximao da realidade macroscpica, constituindo uma ferramenta muito importante para o entendimento dos fenmenos que ocorrem na natureza (ARAJO; NEVES, 2005). Dentre todos os componentes dos sistemas eltricos de potncia, as linhas de transmisso destacam-se por duas particularidades. A primeira que seus parmetros so distribudos ao longo da sua extenso. Qualquer perturbao gerada por chaveamentos ou descargas atmosfricas resulta na propagao de ondas pela linha. O efeito de uma variao de corrente ou tenso em qualquer dos terminais da linha no sentido pela outra extremidade at que ondas eletromagnticas geradas por essa variao percorram todo o comprimento da linha. Os modelos utilizados em clculos de transitrios eletromagnticos que envolvem linhas de transmisso so baseados na soluo das equaes de onda de tenso e corrente. A segunda, que tais parmetros apresentam forte dependncia com a freqncia.

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Entretanto, o assunto a ser investigado neste trabalho um problema de regime permanente, 60 Hz (freqncia industrial) com parmetros fixos para esta freqncia.

4.2 Modelo Matemtico

Devido ao alto grau de complexidade dos sistemas eltricos reais, torna-se praticamente impossvel uma soluo analtica para soluo de alguns tipos de problemas. Por esse motivo recorre-se frequentemente a mtodos computacionais. Atualmente existem diversos programas comerciais para aplicao direta em sistemas de energia eltrica, principalmente para a simulao de transitrios eletromagnticos no domnio do tempo e da freqncia e tambm em regime permanente. Dentre eles o Alternative Transient Program (ATP), que ser utilizado no desenvolvimento deste trabalho. No ATP a modelagem de componentes da linha de transmisso e o clculo de seus parmetros so realizados utilizando mtodos amplamente conhecidos e apresentados na literatura convencional (FUCHS, 1977; STEVENSON, 1986; ARAJO; NEVES, 2005).

4.3 Configuraes das Linhas de Transmisso

No Brasil, os recursos hidroeltricos esto, em sua maioria, distantes dos principais centros consumidores, o que resultou e continua resultando na construo de linhas de transmisso extensas e de grande carregamento, com tenses de at 750 kV em corrente alternada e 600 kV em corrente contnua. Assim, o uso mltiplo de uma mesma faixa de terreno por vrias instalaes torna-se cada vez mais comum, pelo crescente custo e indisponibilidade do solo,

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principalmente nas regies urbanas, e pelo aproveitamento de um nico meio de acesso a essas instalaes, em reas mais afastadas dos centros urbanos. Por esse motivo h uma tendncia cada vez maior de se construir linhas de transmisso com longos trechos de paralelismo, tendo o efeito das interferncias eletromagnticas cada vez mais agravado. Para a realizao das simulaes computacionais foram escolhidos dois modelos tpicos de estruturas para linhas de transmisso com classes de tenses utilizadas em diversas concessionrias brasileiras. O trabalho foi desenvolvido utilizando-se um caso exemplo com uma LT 500 kV (sistema interferente) e uma LT 138 kV (sistema interferido) paralela primeira, em um mesmo corredor de transmisso. Na linha de transmisso de 138 kV foi utilizada a estrutura L6 (COMPANHIA ENERGTICA DE MINAS GERAIS, 1986) e na linha de transmisso de 500 kV foi utilizada a estrutura SX (COMPANHIA ENERGTICA DE MINAS GERAIS, 1998), ambas com circuito simples, cujos dados utilizados nas simulaes computacionais foram obtidos pela concessionria local e esto relacionados na tabela 4.1 e figura 4.1. Foi considerada a distncia de 40 metros entre os eixos das linhas de transmisso, pois, um valor tpico quando linhas com essas classes de tenso so construdas em paralelo.

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TABELA 4.1 Dados das LTs

Dados Gerais Tenso (kV) Freqncia (Hz) Tipo de Circuito Nmero de Fases Nmero de Condutores por Fase Nmero de Pra-raios Dados dos Condutores Tipo Bitola (MCM) Formao Dimetro Externo (mm) Resistncia 20C (/km dc) Espaamento - bundle (mm) Dados dos Cabos Pra-raios Dimetro Externo (mm) Resistncia 20C (/km dc)

LT 500 kV 500 60 Simples 3 3 2 LT 500 kV Ruddy 900 45/7 28,74 0,0634 0,457 LT 500 kV 11,05 2,77

LT 138 kV 138 60 Simples 3 1 1 LT 138 kV Linnet 336,6 26/7 18,29 0,1701 --LT 138 kV 7,92 5,18

Fonte: COMPANHIA ENERGTICA DE MINAS GERAIS, 1986 e 1998

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Figura 4.1 - Configuraes das LTs Fonte: COMPANHIA ENERGTICA DE MINAS GERAIS, 1986 e 1998

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4.4 Configurao do Conjunto de Aterramento

Para especificao do conjunto de aterramento foram consideradas informaes fornecidas por um fabricante (RITZ DO BRASIL, 2007). O cabo utilizado nos conjuntos de aterramento fabricado com cobre eletroltico extra-flexvel, o que permite maior facilidade na instalao, manuseio e transporte, e proteo translcida de PVC cristal, o que permite a inspeo visual de toda sua extenso. Os dados do cabo de aterramento, utilizado nas simulaes computacionais, que usualmente especificado pelas concessionrias nos conjuntos de aterramento para linhas de transmisso, esto descritos na tabela 4.2.

TABELA 4.2 Dados do cabo de aterramento

Dados Gerais Bitola (AWG) Seo nominal (mm2) Comprimento (m) Corrente nominal (A) Capacidade de Icc Simtrica (kA) Resistncia mxima 20C (/km) Formao dos fios Espessura do isolamento (mm) Peso (kg/m)

Valores 4/0 95 10 338 30 (0,5 s) / 23 (1 s) 0,206 51x31 / 0,254 2,2 1,036

Fonte: RITZ DO BRASIL S.A., 2007

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Existem vrias configuraes de conjuntos de aterramento para linhas de transmisso, que so especificadas de acordo com as caractersticas construtivas da prpria linha, tais como: nvel de tenso, corrente mxima de curto-circuito, tempo de atuao do sistema de proteo, tipo de estrutura (madeira, concreto ou metlica), distncias entre fases e fase-terra e sees dos condutores ou ponto de aterramento onde os grampos sero conectados. Uma configurao indicada pelo Grupo Coordenador para Operao Interligada (1980) e pelo Grupo de Intercmbio e Difuso de Informaes sobre Engenharia de Segurana e Medicina do Trabalho (1978) e comumente utilizada por CTEEP (2002), Furnas (2008) e CEMIG (2000), em linhas de transmisso de 138 kV, composta de trs lances (jumpers) do cabo conforme tabela 4.2 com grampos de aterramento. Esta configurao est mostrada na figura 4.2. As formas de instalao deste conjunto de aterramento comumente utilizadas por Furnas (2008) e CEMIG (2000) esto mostradas na figura 4.3 e so indicados pelo Grupo Coordenador para Operao Interligada (1980) e pelo Grupo de Intercmbio e Difuso de Informaes sobre Engenharia de Segurana e Medicina do Trabalho (1978).

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Figura 4.2 - Configurao de um Conjunto de Aterramento para LTs Fonte: RITZ DO BRASIL, 2007

Figura 4.3 - Forma de instalao do Conjunto de Aterramento Fonte: COMPANHIA ENERGTICA DE MINAS GERAIS, 2000 e COMPANHIA DE TRANSMISSO DE ENERGIA ELTRICA PAULISTA, 2002

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4.5 Modelo Computacional

4.5.1 Introduo

A ferramenta computacional a ser utilizada para resoluo do trabalho proposto o pacote de programas Alternative Transients Program (ATP) descrito em (NORUEGA, 2007; CAUE, 1995; MEYER, LIU, 1995). O software ATPDraw apenas uma verso grfica para usurios do Windows. O ATP uma verso do Electromagnetic Transients Program (EMTP) que uma ferramenta computacional poderosa e a mais utilizada em simulaes digitais de fenmenos transientes eletromagnticos e tambm para clculos no domnio da freqncia em regime permanente em sistemas eltricos de potncia (MEYER, LIU, 1995). O Electromagnetic Transients Program (EMTP) foi desenvolvido, a partir da dcada de 60 do sculo XX, pelo Professor Hermann Dommel, e recebeu contribuies importantes de vrios pesquisadores nas dcadas seguintes. Por um detalhe da lei de patentes americana, desde seu surgimento, o EMTP foi colocado no domnio pblico, tendo alcanado grande divulgao. No exagero dizer-se que, atualmente, qualquer concessionria de algum porte tem sua disposio uma das vrias verses desse programa. Uma das razes para essa ampla difuso do EMTP reside na sua capacidade de modelagem de diferentes componentes encontrados nos mais diversos sistemas eltricos (ARAJO; NEVES, 2005). O ATP utilizado na criao de arquivos de dados a partir da elaborao de desenhos de circuitos a serem simulados, e por ser um programa digital, no permite obter uma soluo contnua no tempo, so calculados valores a tempo discreto. A rotina suporte do pacote de programas que ser utilizada a Line Constants, Cable Constants and Cable Parameters (LCC) especfica para clculo de parmetros de linhas de transmisso, atravs da entrada dos dados da geometria das estruturas e dos cabos condutores e pra-raios utilizados (NORUEGA, 2007; MEYER, LIU, 1995).

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4.5.2 Estrutura do Modelo das Linhas de Transmisso

Devido s suas peculiaridades, as linhas de transmisso podem ter diferentes representaes e ser modeladas de diferentes formas, de acordo com a preciso e eficincia necessrias. Quanto natureza distribuda de seus parmetros, as linhas de transmisso podem ser representadas por: Modelo a parmetros concentrados: a linha de transmisso

representada por resistores, indutores e capacitores, usualmente, em conexo cascata de sees , cujos valores so calculados para uma determinada freqncia. Essa representao adequada para soluo de regime permanente, Modelo a parmetros distribudos: a natureza distribuda dos parmetros da linha levada em considerao pelo princpio da propagao de onda. Stevenson (1986) classifica as linhas de transmisso areas, quanto ao comprimento, em: com at 80 km de comprimento: linhas curtas; entre 80 e 240 km: linhas mdias; acima de 240 km: linhas longas.

Sero consideradas apenas linhas de transmisso com comprimento curto e mdio, podendo ser representadas com preciso suficiente por parmetros concentrados (STEVENSON, 1986). O comprimento da maior linha de transmisso simulada foi de 100 km. Foi considerado este comprimento por ser suficientemente elevado, repr