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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS DIAGNÓSTICO DE CORROSIVIDADE EM ELETRODO DE ATERRAMENTO ELÉTRICO COBREADO CURITIBA 2013

Diagnóstico de corrosividade em eletredo de aterramento elétrico

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  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN PROGRAMA DE PS GRADUAO EM ENGENHARIA

    E CINCIA DOS MATERIAIS

    DIAGNSTICO DE CORROSIVIDADE EM ELETRODO DE ATERRAMENTO ELTRICO COBREADO

    CURITIBA 2013

  • ii

    CLEBERSON LOPES DO NASCIMENTO

    DIAGNSTICO DE CORROSIVIDADE EM ELETRODO DE ATERRAMENTO ELTRICO COBREADO

    Dissertao apresentada como requisito parcial

    obteno de grau de Mestre. rea de

    concentrao: Materiais Metlicos, Programa

    de Ps-Graduao em Engenharia e Cincia

    dos Materiais - PIPE. Setor de Tecnologia,

    Universidade Federal do Paran.

    Orientador: Prof. Dr. Haroldo de Arajo Ponte

    Co-orientador: Prof. Dr. Alysson Nunes Digenes

    CURITIBA 2013

  • iii

  • iv

  • v

    Aquele que tenta perscrutar com humildade e

    perseverana os segredos das coisas, ainda

    que disto no tome conscincia, como que

    conduzido pela mo de Deus, que sustenta

    todas as coisas, fazendo que elas sejam o

    que so.

    Conclio Vaticano II (Gaudium et Spes 36)

  • vi

    RESUMO

    A confiabilidade de um sistema eltrico e a segurana da vida das pessoas

    depende do perfeito funcionamento do aterramento eltrico e de seus materiais

    empregados. Neste contexto a durabilidade de um eletrodo de aterramento

    cobreado consiste no tempo que decorre da sua instalao propriamente dita no

    solo at instalao de processos de corrosividade em sua camada de

    recobrimento que ir proporcionar a descontinuidade eltrica e o consequente

    aumento da resistncia hmica de aterramento. Como os eletrodos de aterramento

    encontram-se diretamente em contato com o solo, com a ao da gua e / ou de

    outros contaminantes, eles sempre operam em condies de corroso.

    Visto a dificuldade para a visualizao do estado fsico dos eletrodos de

    aterramento por encontrarem-se enterrados o presente trabalho aborda a anlise

    experimental para concepo de sensoriamento eletroqumico com o objetivo de

    diagnstico de corroso / formao de xido instalado sobre a superfcie de um

    eletrodo de aterramento cobreado. Com este intuito foi desenvolvida uma

    metodologia para diagnstico da corrosividade atravs do estudo em uma clula

    eletroqumica composta de trs eletrodos e com a utilizao de tcnicas

    eletroqumicas caracterizou-se os parmetros eltricos do eletrodo de cobre em

    estados de superfcies distintas: polido e oxidado.

    Palavras chave: Eletrodo de aterramento eltrico cobreado, monitoramento de

    corroso, tcnicas eletroqumicas, clula eletroqumica.

  • vii

    ABSTRACT

    The reliability of a power system and the safety of people's lives depend on

    the perfect functioning of the electrical grounding materials and their employees. In

    this context the durability of a grounding electrode coppered is the time that elapses

    from your actual installation in the ground until the installation process to corrosivity

    its coating layer that will provide the electrical discontinuity and the consequent

    increase in ohmic resistance grounding. As the grounding electrodes are directly in

    contact with the ground, with the action of water or other contaminants, always

    operate in corrosive conditions.

    The present paper deals the analysis of experimental design for

    electrochemical sensing with the purpose of diagnosing corrosion / oxide formation

    installed on the surface of a copper-plated grounding electrode because the difficulty

    to visualize the physical state of grounding electrodes find themselves buried. For

    this purpose was developed a methodology for diagnosing corrosivity through study

    in an electrochemical cell consisting of three electrodes and the use of

    electrochemical techniques characterized the electrical parameters of the copper

    electrode in states of different surfaces: polished and oxidized.

    Keywords: Electric grounding electrode copperweld, corrosion monitoring,

    electrochemical techniques, electrochemical cell.

  • viii

    LISTA DE ILUSTRAES

    Figura 1.1 Diferena de potencial em um sistema de aterramento que deveria

    apresentar equipotencializao. ......................................................................... 17

    Figura 1.2 Queima de componentes de placa eletrnica de computador devido a

    possvel causa de funcionamento inadequado do sistema de aterramento. ...... 18

    Figura 1.3 Eletrodos de aterramento em cobre corrodos. ..................................... 18

    Figura 1.4 Eletrodos de aterramento do tipo Cooperweld, conectados entre si

    formando uma malha de aterramento. ............................................................... 19

    Figura 1.5 Corroso instalada em eletrodo de aterramento de cobre retirado do

    solo. ................................................................................................................... 19

    Figura 2.1 Esquema de aterramento TNS. ............................................................. 25

    Figura 2.2 Esquema de aterramento TNC.............................................................. 26

    Figura 2.3 Esquema de aterramento TT. ............................................................... 26

    Figura 2.4 Mtodo de Wenner para medio de resistividade de solo. .................. 28

    Figura 2.5 Tratamento qumico do solo. ................................................................. 32

    Figura 2.6 Padronizao de haste de ao cobreada. ............................................. 38

    Figura 2.7 Pilha eletroqumica contextualizada. ..................................................... 41

    Figura 2.8 Corroso galvnica envidenciada atravs da formao de pilha

    galvnica. ........................................................................................................... 43

    Figura 2.9 Aterramento de BT com condutor em ao e haste em cobre. ............... 44

    Figura 2.10 Malha de aterramento em zonas de solos distintos. ........................... 45

    Figura 2.11 Mesmo solo com distintas concentraes de sais e umidade. ............ 46

    Figura 2.12 Ao termogalvnica em haste profunda. ........................................... 47

    Figura 2.13 Aerao diferencial em solo poroso. ................................................... 47

    Figura 2.14 Correntes eltricas de fuga presentes no solo provocando corroso em

    uma malha de aterramento eltrico. ................................................................... 49

    Figura 2.15 Estrutura da dupla camada eltrica. .................................................... 51

    Figura 2.16 Medio da curva de polarizao. ....................................................... 56

    Figura 2.17 Funo de excitao do potenciostato para varredura linear. ............. 57

    Figura 2.18 Curva de polarizao. ......................................................................... 60

    Figura 2.19 Curva monologartmica de polarizao. .............................................. 61

    Figura 2.20 Medio da impedncia eletroqumica. ............................................... 64

  • ix

    Figura 2.21 Funo de excitao do potenciostato para varredura em frequncias.

    ........................................................................................................................... 65

    Figura 2.22 Curva Lissajous utilizada pelo mtodo de impedncia eletroqumica. 65

    Figura 2.23 Circuito eltrico equivalente da interface metal-eletrlito. ................... 66

    Figura 2.24 Circuito eltrico equivalente com a parcela referente ao efeito da

    impedncia Warburg. ......................................................................................... 68

    Figura 2.25 Diagrama de Nyquist para um processo corrosivo. ............................. 69

    Figura 2.26 Diagrama de Nyquist para um processo corrosivo contemplando a

    parcela referente ao efeito da impedncia difusional semi infinita. .................... 70

    Figura 2.28 Diagrama de Bode do ngulo de fase pela frequncia para um

    processo corrosivo. ............................................................................................ 72

    Figura 3.1 Diagrama de blocos dos parmetros eltricos do sistema eletroqumico

    proposto: (a) eletrodo de cobre em estado polido e (b) eletrodo de cobre em

    estado oxidado. .................................................................................................. 74

    Figura 3.2 Diagrama de Pourbaix a 25oC para um sistema Cu-H2O. ..................... 75

    Figura 3.3 Clula eletroqumica convencional a trs eletrodos. ............................. 76

    Figura 3.4 (a) Eletrodo de trabalho em cobre, (b) eletrodo de referncia em

    calomelano saturado por KCl, (c) eletrodo auxiliar em platina espiralada. ......... 77

    Figura 3.5 Clula eletroqumica constituda. .......................................................... 78

    Figura 3.6 Ensaio de voltametria de varredura linear. ............................................ 79

    Figura 3.7 Ensaio de espectroscopia por impedncia eletroqumica. .................... 80

    Figura 4.1 Detalhe da extrapolao do semicrculo em altas frequncias do

    diagrama de Nyquist visando determinao da resistncia de polarizao para

    o eletrodo de cobre polido. ................................................................................. 91

    Figura 4.2 Circuito equivalente para a clula eletroqumica com superfcie de

    eletrodo de trabalho em cobre polido. ................................................................ 93

    Figura 4.3 Detalhe da extrapolao do semicrculo em altas frequncias do

    diagrama de Nyquist visando determinao da resistncia hmica da pelcula

    oxidada para o eletrodo de cobre. ...................................................................... 99

    Figura 4.4 Circuito equivalente para clula eletroqumica com eletrodo de cobre

    oxidado............................................................................................................. 100

  • x

    LISTA DE TABELAS E GRFICOS

    Tabela 2.1 Faixa de valores usuais de resistividade de certos tipos de solos........ 30

    Tabela 2.2 Grau de corroso do solo em funo da resistividade eltrica. ............ 33

    Tabela 2.3 Eletrodos de aterramento convencionais. ............................................ 36

    Tabela 2.4 Srie eletromotiva dos metais a 25C. ................................................. 42

    Grfico 4.1 Voltamograma em circuito aberto de eletrodo de cobre em soluo

    aquosa de 1M de bicarbonato de sdio. ............................................................ 82

    Grfico 4.2 Voltamograma potenciodinmico de eletrodo de cobre em soluo

    aquosa de 1M de bicarbonato de sdio com taxa de varredura de potenciais de

    50 mV.s-1. ........................................................................................................... 83

    Grfico 4.3 Voltamograma potenciodinmico da superfcie de eletrodo de cobre em

    soluo aquosa de 1M de bicarbonato de sdio com taxa de varredura de

    potenciais de 1 mV.s-1. ....................................................................................... 85

    Grfico 4.4 Regio de resistncia de polarizao de eletrodo de cobre em soluo

    aquosa de 1M de bicarbonato de sdio com taxa de varredura de 1 mV.s-1. .... 86

    Grfico 4.5 Voltamograma em circuito aberto de eletrodo de cobre polido em

    soluo aquosa de 1M de bicarbonato de sdio. ............................................... 88

    Tabela 4.1 Dados coletados durante espectroscopia por impedncia eletroqumica

    para eletrodo de cobre polido em clula eletroqumica. ..................................... 89

    Grfico 4.6 Diagrama de Bode de magnitude de impedncia versus frequncia

    para eletrodo de cobre polido em soluo aquosa de 1M de bicarbonato de

    sdio. ................................................................................................................. 89

    Grfico 4.7 Diagrama de Bode de fase em graus versus frequncia para eletrodo

    de cobre polido em soluo aquosa de 1M de bicarbonato de sdio. ................ 90

    Grfico 4.8 Diagrama de Nyquist de impedncia real versus impedncia imaginria

    para eletrodo de cobre polido em soluo aquosa de 1M de bicarbonato de

    sdio. ................................................................................................................. 90

    Grfico 4.9 Amperograma de formao de filme passivante sobre o eletrodo de

    cobre durante 30 minutos com taxa de varredura de potenciais de 10 mV.s-1. .. 94

    Grfico 4.10 Voltamograma em circuito aberto de eletrodo de cobre oxidado em

    soluo aquosa de 1M de bicarbonato de sdio. ............................................... 95

  • xi

    Tabela 4.2 Dados coletados durante espectroscopia por impedncia eletroqumica

    para eletrodo de cobre oxidado durante 30 minutos em clula eletroqumica. .. 96

    Grfico 4.11 Diagrama de Bode de magnitude de impedncia versus frequncia

    para eletrodo de cobre oxidado em soluo aquosa de 1M de bicarbonato de

    sdio. ................................................................................................................. 97

    Grfico 4.12 Diagrama de Bode de fase versus frequncia para eletrodo de cobre

    oxidado em soluo aquosa de 1M de bicarbonato de sdio............................. 97

    Grfico 4.13 Diagrama de Nyquist de impedncia real versus impedncia

    imaginria para eletrodo de cobre oxidado em soluo aquosa de 1M de

    bicarbonato de sdio. ......................................................................................... 98

    Tabela 4.3 Valores em densidade de corrente complexa para o sistema

    eletroqumico com eletrodo de cobre polido sob excitao de tenso eficaz de

    0,707 V em frequncias. .................................................................................. 103

    Tabela 4.4 Valores em densidade de corrente complexa para sistema

    eletroqumico com eletrodo de cobre oxidado sob excitao de tenso eficaz de

    0,707 V em frequncias. .................................................................................. 103

    Grfico 4.14 Excitao em tenso alternada para as diferentes frequncias de

    oscilao. ......................................................................................................... 104

    Grfico 4.15 Resposta em densidade de corrente para o sistema eletroqumico

    oscilante na frequncia de 50 Hz. .................................................................... 104

    Grfico 4.16 Resposta em densidade de corrente para o sistema eletroqumico

    oscilante na frequncia de 60 Hz. .................................................................... 105

    Grfico 4.17 Resposta em densidade de corrente para o sistema eletroqumico

    oscilante na frequncia de 100 Hz. .................................................................. 105

    Tabela 4.5 Valores de densidade de corrente experimentais para o sistema

    eletroqumico em estudo sob excitao de tenso oscilante eficaz de 0,707 V.

    ......................................................................................................................... 107

  • xii

    LISTA DE SIGLAS

    ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

    ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica

    AT Alta tenso

    BT Baixa tenso

    CA Corrente alternada

    CC Corrente contnua

    CNC Comando numrico controlvel

    PE Condutor de proteo

    PEN Condutor com funo de proteo e de neutro

    PLC Programador lgico controlvel

    CIs Circuitos integrados

    COPEL Companhia Paranaense de Energia Eltrica

    EC Contra-eletrodo ou eletrodo auxiliar

    EIE Espectometria de impedncia eletroqumica

    EMI Electromagnetic Interference

    EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuria

    EA Eletrodo auxiliar ou contra-eletrodo

    ER Eletrodo de referncia

    ET Eletrodo de trabalho

    MRT Monofsico com retorno pela terra

    MIT Manual de instrues tcnicas

    NBR Normas Brasileiras

    NM Normas Mercosul

    Ph Potencial hidrogeninico ou potencial hidrognio inico

    RPL Resistncia de polarizao linear

    OCP Open Circuit Potential

    SPDA Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas

  • xiii

    SUMRIO

    RESUMO.................................................................................................................... vi

    ABSTRACT ............................................................................................................... vii

    LISTA DE ILUSTRAES ...................................................................................... viii

    LISTA DE TABELAS E GRFICOS ........................................................................... x

    LISTA DE SIGLAS .................................................................................................... xii

    SUMRIO ................................................................................................................ xiii

    CAPTULO 1 - PROPOSTA ...................................................................................... 15

    1.1 INSTIGAO ................................................................................................... 16

    1.2 JUSTIFICATIVA ............................................................................................... 18

    1.3 OBJETIVOS ..................................................................................................... 19

    1.3.1 OBJETIVO GERAL ......................................................................................... 19

    1.3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS .............................................................................. 20

    1.4 MTODOS DE PESQUISA ............................................................................. 20

    1.5 ESTRUTURAO DO TRABALHO ................................................................. 20

    CAPTULO 2 - FUNDAMENTAO TERICA ........................................................ 22

    2.1 NORMATIZAO BRASILEIRA ...................................................................... 22

    2.1.1 SISTEMA ELTRICO DE BAIXA TENSO ........................................................... 22

    2.1.2 ATERRAMENTO ELTRICO SEGUNDO A NBR 5410 E NBR 5419 ...................... 22

    2.1.3 ESQUEMAS DE ATERRAMENTO ELTRICO CONFORME NBR5410 ..................... 23

    2.1.3.1 SISTEMA TN-S: ........................................................................................ 24

    2.1.3.2 SISTEMA TN-C: ........................................................................................ 25

    2.1.3.3 SISTEMA TT: ............................................................................................ 26

    2.2 MEDIO DO ATERRAMENTO ELTRICO .................................................. 27

    2.2.1 MEDIO DA RESISTIVIDADE DO SOLO ........................................................... 27

    2.2.2 MTODO DE WENNER .................................................................................. 28

    2.3 SOLO ............................................................................................................... 29

    2.3.1 RESISTIVIDADE DO SOLO .............................................................................. 29

    2.3.2 TRANSPORTE INICO PELO SOLO .................................................................. 31

    2.3.3 TRATAMENTO QUMICO DO SOLO .................................................................. 31

    2.3.4 CORROSIVIDADE DO SOLO ............................................................................ 33

    2.4 ELETRODO DE ATERRAMENTO ................................................................... 34

  • xiv

    2.4.1 MATERIAIS DE SISTEMAS DE ATERRAMENTO .................................................. 37

    2.4.1.1 COBRE ..................................................................................................... 37

    2.4.1.2 AO COBREADO ....................................................................................... 37

    2.4.1.3 ALUMNIO ................................................................................................. 38

    2.4.1.4 AO ......................................................................................................... 39

    2.5 CORROSO EM SISTEMAS DE ATERRAMENTO ELTRICO ..................... 39

    2.5.1 REAO DE CORROSO ............................................................................... 40

    2.5.2 ELETRONEGATIVIDADE DE METAIS ................................................................. 41

    2.5.3 HETEROGENEIDADE DOS MATERIAIS QUE COMPE O SISTEMA DE ATERRAMENTO

    ELTRICO ............................................................................................................ 43

    2.5.4 HETEROGENEIDADE DOS SOLOS ABRANGIDOS POR MALHAS DE ATERRAMENTO 44

    2.5.5 HETEROGENEIDADE DEVIDO A CONCENTRAO DE SAIS, UMIDADE E VARIAO

    DA TEMPERATURA DO SOLO .................................................................................. 46

    2.5.6 AERAO DIFERENCIAL ................................................................................ 47

    2.5.7 AO DE CORRENTES ELTRICAS DISPERSAS NO SOLO (CORRENTES DE FUGA

    OU CORRENTES PARASITAS) ................................................................................. 48

    2.6 TCNICAS ELETROQUMICAS DE PESQUISA ............................................ 50

    2.6.1 CLULA ELETROQUMICA .............................................................................. 50

    2.6.1.1 ELETRODO DE TRABALHO (ET) .................................................................. 52

    2.6.1.1.1 ELETRODO DE COBRE ............................................................................ 52

    2.6.1.2 ELETRODO DE REFERNCIA (ER) ............................................................... 52

    2.6.1.2.1 ELETRODO DE CALOMELANO ................................................................... 53

    2.6.1.2.2 ELETRODO DE PRATA - CLORETO DE PRATA ............................................ 53

    2.6.1.3 CONTRA ELETRODO OU ELETRODO AUXILIAR (EA) ...................................... 54

    2.6.2 ELETRLITO ................................................................................................ 54

    2.7 TCNICAS ELETROQUMICAS PARA ESTUDO DE PROCESSOS

    CORROSIVOS ...................................................................................................... 55

    2.7.1 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO (OCP) ...................................................... 55

    2.7.2 CURVAS DE POLARIZAO ............................................................................ 56

    2.7.3 MEDIO DA CURVA DE POLARIZAO .......................................................... 56

    2.7.3.1 FUNO DE EXCITAO PARA VARREDURA LINEAR ...................................... 57

    2.7.4 RESISTNCIA DE POLARIZAO LINEAR (RPL) ............................................... 58

    2.7.5 MODELAMENTOS GRFICOS ......................................................................... 59

    2.7.5.1 VOLTAMOGRAMA DE POLARIZAO............................................................. 59

  • xv

    2.7.5.2 VOLTAMOGRAMA DE POLARIZAO MONOLOGARTMICA ............................... 60

    2.8 MTODO DA IMPEDNCIA ELETROQUMICA ............................................. 61

    2.8.1 SISTEMAS ELTRICOS ALTERNADOS E IMPEDNCIA ........................................ 63

    2.8.2 MEDIO DA IMPEDNCIA ELETROQUMICA .................................................... 64

    2.8.2.1 FUNO DE EXCITAO PARA VARREDURA DE POTENCIAL EM FREQUNCIAS 64

    2.8.3 IMPEDNCIA ELETROQUMICA ........................................................................ 66

    2.8.4 MODELAMENTOS GRFICOS ......................................................................... 68

    2.8.4.1 DIAGRAMA DE NYQUIST ............................................................................. 69

    2.8.4.2 DIAGRAMA DE BODE .................................................................................. 71

    CAPTULO 3 MATERIAIS E MTODOS ............................................................... 74

    3.1 CLULA ELETROQUMICA ............................................................................ 75

    3.1.1 DETERMINAO DO ELETRLITO DE PASSIVAO ........................................... 75

    3.1.2 DETERMINAO DA CLULA ELETROQUMICA ................................................. 76

    3.1.2.1 DETERMINAO DOS ELETRODOS .............................................................. 77

    3.1.2.2 CONSTITUIO DA CLULA ELETROQUMICA ................................................ 78

    3.2 TCNICAS ELETROQUMICAS UTILIZADAS ................................................ 78

    3.2.1 ANLISE VOLTOMTRICA POR VARREDURA LINEAR DE POTENCIAIS .................. 78

    3.2.2 EQUIPAMENTO UTILIZADO ............................................................................. 79

    3.2.3 ANLISE VOLTOMTRICA POR VARREDURA DE POTENCIAL EM FREQUNCIAS .... 80

    3.3.1 EQUIPAMENTO ADOTADO .............................................................................. 80

    CAPTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSES ..................................................... 81

    4.1 ANLISE VOLTOMTRICA POR VARREDURA DE POTENCIAL LINEAR ... 81

    4.1.1 ENSAIO DE POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO (OCP) ...................................... 81

    4.1.2 VOLTAMETRIA DE VARREDURA LINEAR ........................................................... 82

    4.1.3 RESISTNCIA DE POLARIZAO LINEAR (RPL) ............................................... 84

    4.2 ANLISE VOLTOMTRICA POR VARREDURA DE POTENCIAL EM

    FREQUNCIAS ..................................................................................................... 87

    4.2.2 ESPECTROSCOPIA DE IMPEDNCIA ELETROQUMICA PARA O ELETRODO DE

    COBRE POLIDO .................................................................................................... 87

    4.2.3 CIRCUITO EQUIVALENTE PARA O ELETRODO DE COBRE POLIDO ....................... 93

    4.2.4 ESPECTROSCOPIA DE IMPEDNCIA ELETROQUMICA PARA O ELETRODO DE

    COBRE OXIDADO .................................................................................................. 94

    4.2.5 CIRCUITO EQUIVALENTE PARA O ELETRODO DE COBRE OXIDADO .................. 100

  • xvi

    4.3 RESPOSTA DO SISTEMA ELETROQUMICO A APLICAO DE SINAL

    OSCILANTE EM FREQUNCIAS ....................................................................... 101

    4.3.1 EXCITAO DO SISTEMA ELETROQUMICO .................................................... 101

    4.3.2 RESPOSTA DO SISTEMA EM DENSIDADE DE CORRENTE PARA ELETRODO DE

    TRABALHO EM COBRE POLIDO ............................................................................. 102

    4.3.3 RESPOSTA DO SISTEMA EM DENSIDADE DE CORRENTE PARA ELETRODO DE

    TRABALHO EM COBRE OXIDADO .......................................................................... 103

    4.3.4 COMPARATIVO GRFICO ENTRE AS RESPOSTAS DO SISTEMA ELETROQUMICO

    COM ESTADOS DISTINTOS DE SUPERFCIES DO ELETRODO DE TRABALHO EM COBRE

    ......................................................................................................................... 103

    4.3.5 COMPROVAO EXPERIMENTAL EXPLORATRIA ........................................... 106

    4.3.5.1 EQUIPAMENTO UTILIZADO PARA GERAO DO SINAL DE POTENCIAL EM

    FREQUNCIA ...................................................................................................... 106

    4.3.5.2 RESPOSTAS EXPERIMENTAIS EM DENSIDADE DE CORRENTE PARA O SISTEMA

    ELETROQUMICO ................................................................................................. 107

    CAPTULO 5 - CONCLUSES ............................................................................... 109

    CAPTULO 6 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................ 111

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................... 112

  • 15

    CAPTULO 1 - PROPOSTA

    Com as inovaes tecnolgicas advindas da eletrnica de potncia,

    microeletrnica e telecomunicaes o aterramento eltrico vem desempenhando

    papel chave na proteo, confiabilidade e qualidade de energia dos sistemas

    eltricos, seja no mbito residencial, comercial e industrial, dada sua importncia na

    segurana vida das pessoas e dos animais.

    No contexto tcnico aterrar significa constituir uma ligao intencional e de

    baixa impedncia com a terra, o qual fornecer um caminho adequado para a

    circulao de correntes, necessria para garantir o melhor desempenho da

    instalao eltrica. Por se encontrarem enterrados e de difcil inspeo visual, os

    sistemas de aterramentos tendem a ser esquecidos, sendo somente percebidos

    quando problemas oriundos do aumento da resistncia de aterramento gerem

    problemas de queimas de equipamentos, choques eltricos inesperados, falhas na

    atuao de dispositivos de comando e proteo, etc.

    A importncia do sistema de aterramento visa proporcionar que um dado

    sistema de energia eltrica opere corretamente, atravs de uma adequada

    continuidade de servio, com desempenho seguro do sistema de proteo e garantia

    dos limites de nveis de segurana pessoal, apresentando tambm como objetivos

    principais (KINDERMANN e CAMPAGNOLO, 1995):

    Obteno de valor da resistncia de aterramento a mais baixa possvel, para

    correntes de falta a terra;

    Manuteno dos gradientes de potenciais produzidos pelas correntes de falta

    a terra dentro de limites de segurana;

    Atuao sobre os equipamentos de proteo para que sejam mais

    sensibilizados e isolem rapidamente as falhas a terra;

    Proporcionar um caminho de escoamento para terra de descargas

    atmosfricas;

    Escoamento das cargas estticas geradas nas carcaas dos equipamentos;

    Utilizao da terra como retorno de corrente em sistemas eltricos MRT1;

    1 MRT Sistema eltrico monofsico de retorno pela terra, utilizado na distribuio rural, as quais geralmente esto afastadas de centros robustos de distribuio de energia eltrica.

  • 16

    Outros objetivos do sistema de aterramento abordam a qualidade de energia

    eltrica, sendo observveis (DECKMANN e POMILIO, 2011):

    Reduo do risco de sobretenses nas fases;

    Aumento da segurana contra descargas ao toque;

    Reduo do risco de mau funcionamento de equipamentos;

    Diminuio do risco de falta sustentada de fase;

    Deteco da presena de harmnicas mltiplas de trs;

    Viabilizao do atendimento de cargas monofsicas sem desequilibrar as

    tenses.

    J (MORENO e COSTA, 2011) afirmam que em uma instalao eltrica de

    baixa tenso, o aterramento e a equipotencializao so partes fundamentais para a

    garantia do funcionamento adequado dos sistemas de proteo contra choques

    eltricos, sobretenses, descargas de origem atmosfricas e de origens

    eletrostticas, alm de auxiliar a garantir o funcionamento adequado aos

    equipamentos de tecnologia de informao: computadores, centrais telefnicas,

    modems, controladores lgicos, etc.

    1.1 INSTIGAO

    Nos dias atuais a energia eltrica tornou-se um bem indispensvel a vida e a

    segurana das pessoas, logo um funcionamento inadequado do aterramento

    prejudicial ao sistema eltrico como um todo, como por exemplo a ausncia da

    atuao da proteo realizada por fusveis, disjuntores, etc, os efeitos de uma

    mquina que gere choques eltricos ao operador e que apresente resposta lenta.

    To logo a inoperabilidade de um aterramento eltrico ou a presena de

    falhas acarretam transtornos de ordem econmica, pessoal e principalmente de

    segurana a vida das pessoas. Neste contexto a seguir encontram-se elencados

    problemas referentes a um mau funcionamento do sistema de aterramento

    (CAPELLI, 2007):

    Excesso de EMI gerado, rudos e sinais esprios indesejados;

    Quebra de comunicao entre mquinas e PC (PLC, CNC, etc...) em modo

    on-line, principalmente se o protocolo de comunicao for RS 232;

  • 17

    Aquecimento anormal das etapas de potncia de inversores e conversores,

    advindo a danos a sistemas motorizados;

    Em caso de computadores pessoais, funcionamento irregular com constantes

    travamentos e por fim queima;

    Falhas intermitentes, que no seguem um padro, as quais podem ocasionar

    queima de CIs ou placas eletrnicas sem razo aparente, mesmo sendo elas

    novas e confiveis;

    Interferncias na imagem com a presena de ondulaes em equipamentos

    com monitores de vdeo.

    A figura 1.1 vem elucidar os diversos problemas enumerados atravs da

    constatao de uma diferena de potencial de 1,1V presente sobre um esquema de

    aterramento eltrico em baixa tenso do tipo TNS, onde os condutores de neutro e

    terra so distintos porm conectados a uma mesma malha de aterramento, dita

    superfcie equipotencializada2.

    Figura 1.1 Diferena de potencial em um sistema de aterramento que deveria apresentar

    equipotencializao.

    O conceito de aterramento eltrico tambm envolve o contato das carcaas

    de todos os equipamentos energizados com a terra atravs de condutores, com o

    objetivo de levar todos esses componentes a ficarem no potencial mais prximo

    2 O trabalho eltrico realizado sobre uma superfcie equipotencial sempre nulo e o campo eltrico constante, logo o potencial eltrico constante, neste caso como a referncia a terra, propriamente dita, logo deveria ser zero.

  • 18

    possvel do potencial de terra, ou seja, zero volts, e de tal sorte dar provimento a

    equipotencializao a este sistema eltrico no qual esto inseridos (MORENO e

    COSTA, 2011). A figura 1.2 apresenta a provvel queima de equipamentos devido a

    um mau funcionamento do sistema de aterramento.

    Figura 1.2 Queima de componentes de placa eletrnica de computador devido a possvel causa de funcionamento inadequado do sistema de aterramento.

    1.2 JUSTIFICATIVA

    Um dos principais fatores que proporcionam maior influencia no aumento do

    valor da resistncia de aterramento e consequentemente acarreta os diversos

    problemas anteriormente mencionados a corrosividade a qual os eletrodos de

    aterramento cobreados esto submetidos.

    Figura 1.3 Eletrodos de aterramento em cobre corrodos.

  • 19

    1.3 OBJETIVOS

    Como j discutido um sistema de aterramento eltrico funcional tem como

    parmetro essencial um baixo valor de resistncia de aterramento, o qual aumenta

    sob um processo corrosivo instalado. A motivao de estudo consiste na anlise de

    estado fsico de corrosividade instalada em um eletrodo de aterramento cobreado

    presente em sistemas eltricos de baixa tenso sob regime de operao, linha viva,

    do qual encontra-se enterrado e em difcil inspeo visual.

    Figura 1.4 Eletrodos de aterramento do tipo Cooperweld, conectados entre si formando uma malha

    de aterramento.

    1.3.1 OBJETIVO GERAL

    Propor um mtodo de avaliao da presena de xidos instalados sobre

    eletrodo de aterramento cobreado utilizado para aterramento em sistemas eltricos

    de baixa tenso.

    Figura 1.5 Corroso instalada em eletrodo de aterramento de cobre retirado do solo.

    (Adaptado de MORENO e COSTA, 2011)

  • 20

    1.3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

    Frente as consideraes elencadas a abordagem do trabalho estar

    alicerada sobre os seguintes aspectos:

    Analisar o comportamento de estado eletroqumico do cobre nesta clula a

    ser desenvolvida;

    Determinar os parmetros eltricos da superfcie do cobre nesta clula

    eletroqumica;

    Avaliar e analisar a corrosividade do cobre atravs de metodologia a ser

    desenvolvida para sensoriamento de diagnstico;

    1.4 MTODOS DE PESQUISA

    A pesquisa a ser realizada ser de carter terico experimental, conforme

    bibliografia existente com nfase nos seguintes aspectos:

    Modelamento atravs da constituio de uma clula eletroqumica para

    anlise e caracterizao comportamental do cobre nos distintos estados de

    superfcie;

    Aplicao de tcnicas eletroqumicas tradicionais: voltametria por varredura

    linear e espectroscopia por impedncia eletroqumica (EIS) para

    contextualizao dos parmetros eltricos do cobre no sistema eletroqumico

    envolvido;

    Analisar o efeito desta metodologia desenvolvida, atestando sua eficcia;

    Concluses e pareceres.

    1.5 ESTRUTURAO DO TRABALHO

    A dissertao constar de cinco captulos, sendo que no primeiro, introduo

    geral, ter a descrio do problema, a justificativa, os objetivos geral, especficos e

    os mtodos de pesquisa. O segundo captulo destina-se reviso bibliogrfica, que

    ter o embasamento terico necessrio para o entendimento da corroso em

    sistemas de aterramento, no qual sero abordados os seguintes assuntos: sistemas

  • 21

    de aterramentos normatizados, medies e materiais utilizados, tipos e

    caractersticas de solos, processos corrosivos em sistemas de aterramento e

    tcnicas eletroqumicas para caracterizao de materiais em sistemas corrosivos.

    No terceiro captulo ser apresentada a metodologia cientfica e os materiais

    utilizados para os procedimentos do modelo proposto para diagnstico de um

    sistema corrosivo para o cobre. No quarto captulo ser descrita a parte experimental

    e apresentar os resultados obtidos, bem como a anlise e as discusses dos

    resultados. Por fim o quinto captulo descrever as concluses finais e informaes

    pertinentes ao prosseguimento do trabalho.

  • 22

    CAPTULO 2 - FUNDAMENTAO TERICA

    Para o desenvolvimento do projeto proposto faz-se necessrio previamente

    uma abordagem de cunho terico do sistema de aterramento eltrico. Logo

    necessrio discorrer sobre parmetros e valores da normatizao brasileira para

    sistemas de aterramento em baixa frequncia e tenso. Posteriormente sero

    analisados os sistemas de medies e materiais utilizados para aterramento, tipos e

    caractersticas de solos e corroso em sistemas de aterramento.

    2.1 NORMATIZAO BRASILEIRA

    A normatizao Brasileira se estabelece atravs de leis que so normas

    jurdicas e normas tcnicas da ABNT que consistem em boas prticas de

    engenharia.

    2.1.1 SISTEMA ELTRICO DE BAIXA TENSO

    Segundo portaria n 505 da ANEEL de 2001 o sistema eltrico brasileiro

    possui gerao e distribuio trifsica em corrente alternada com frequncia de rede

    de 60 Hz, sendo definido:

    Baixa tenso, valores de tenso inferiores a 1000 VCA;

    Mdia tenso, valores de tenso de 1000 VCA at 69 kVCA;

    Alta tenso, valores de tenso acima de 69 kVCA.

    2.1.2 ATERRAMENTO ELTRICO SEGUNDO A NBR 5410 E NBR 5419

    Segundo a normatizao brasileira vigente, NBR 5410 Instalaes Eltricas

    de Baixa Tenso, no h um valor especfico para a resistncia, R, de aterramento

    eltrico, sendo que apenas evidencia uma expresso matemtica para determinao

    de seu valor mximo.

    A

    L

    I

    UR = (2.1)

  • 23

    Sendo UL a tenso de toque, 50 V, e IA a corrente de atuao de dispositivo

    de proteo residual (valores comercialmente compreendidos entre 30 mA a 500

    mA). Ao aplicar o equacionamento acima, a resistncia do aterramento eltrico

    segundo a NBR 5410 apresenta valores compreendidos entre 1,7 k e 100 . J a

    NBR 5419 Proteo de Estruturas Contra Descargas Atmosfricas recomenda um

    valor mximo de 10 . Elucidado em normas e nas boas prticas de engenharia a

    necessidade da equipotencializao sobre dado sistema de aterramento,

    geralmente adotado como referncia em projetos eltricos qualquer valor at 10 ,

    j que normatizado e atende ambas as normas.

    2.1.3 ESQUEMAS DE ATERRAMENTO ELTRICO CONFORME NBR5410

    Para anlise de esquemas de aterramento eltrico em baixa tenso

    necessria a abordagem das referncias de alimentao eltrica da concessionria

    distribuidora e das massas em relao terra. A classificao realizada por letras,

    como segue (KINDERMANN e CAMPAGNOLO, 1995):

    A primeira letra especifica a situao da alimentao em relao terra:

    T - A alimentao, lado fonte, tem um ponto diretamente aterrado;

    I - Isolamento de todas as partes vivas da fonte de alimentao em relao

    terra ou aterramento de um ponto atravs de uma impedncia elevada.

    J a segunda letra especifica a situao das massas (carcaas) das cargas

    ou equipamentos em relao terra:

    T - Massas aterradas distintas, isto , independente do aterramento do lado

    da fonte;

    N - Massas ligadas ao ponto de aterramento do lado da fonte, sendo que em

    corrente alternada o ponto aterrado normalmente o ponto de neutro;

    I - Massa isolada, isto , no aterrada.

    Outras letras apresentam a forma da ligao do aterramento da massa do

    equipamento, usando o sistema de aterramento da fonte.

    S - Separado, isto , o aterramento da massa realizado com um condutor

    distinto do condutor de neutro, chamado de condutor PE;

    C - Comum, isto , o aterramento da massa do equipamento realizado

    atravs do condutor de neutro, cuja nomenclatura agora PEN.

  • 24

    A ABNT atravs da norma NBR 5410 de 2004 refere em suas subsees

    6.3.3.1.1, 6.3.3.1.2, e 6.3.3.1.3 aos possveis esquemas de aterramento que podem

    ser realizados.

    Nos tpicos 2.1.3.1 e 2.1.3.2 so apresentados desmembramentos do

    sistema TN que so os esquemas mais comuns nas mais diversas instalaes, pois

    o sistema TN equipotencializado, ou seja, todos os terminais terra esto ligados

    em um mesmo potencial. J o tpico 2.1.3.3 ir apresentar o esquema de

    aterramento TT o qual no equipotencializado, ou seja, cada equipamento tem sua

    prpria haste de terra. Outro esquema de aterramento referendado em norma o IT,

    no qual o neutro ligado a terra por meio de uma impedncia, e se destina a casos

    especficos, nos quais o contnuo fornecimento de energia vital, a ponto de

    postergar ao mximo o momento de atuao dos dispositivos de proteo, sendo

    necessrio para este caso um sistema supervisrio ancorado por equipe de

    emergncia sob falta. Geralmente empregado em salas de cirurgia, unidades de

    terapia intensiva e outras situaes de suporte vida, to logo conhecido como IT

    mdico.

    Segundo (CAPELLI, 2007) com exceo do sistema IT o esquema de

    aterramento mais indicado depende de cada instalao. Pois os esquemas

    equipontecializados tm a vantagem de serem os mais seguros, pois no h

    possibilidade de haver diferena de potencial entre terras, mesmo na presena de

    uma descarga atmosfrica. A desvantagem, entretanto, que uma mquina que

    gere harmnicas ou rudo eltrico pode interferir no bom funcionamento de

    equipamentos sensveis, tais como CNC, PLC, etc, utilizando-se para isso do prprio

    condutor de terra como meio de transporte. Tal fato no acontece com o sistema TT,

    pois as hastes so isoladas e o trnsito de harmnicas e rudos so praticamente

    eliminados, no entanto, pela mesma razo uma descarga atmosfrica pode gerar

    diferena de potencial entre os terras, vindo a torn-lo menos seguro.

    2.1.3.1 SISTEMA TN-S:

    Atravs da figura 2.1 observa-se que o condutor de neutro aterrado logo na

    sada do transformador e levado at a carga. Paralelamente, outro condutor

    identificado como PE utilizado como fio terra, e ento conectado carcaa

    (massa) do equipamento.

  • 25

    Pode-se observar que h dois condutores diferentes ligados a haste de

    aterramento, sendo que um condutor possui a funcionalidade de neutro para o

    sistema eltrico e outro condutor possui a finalidade de proteo (terra). Algo notrio

    que nesta topologia o sistema de aterramento apresenta a equipotencializao dos

    eletrodos de aterramento para a instalao, isto , mantm-se o potencial zero para

    o neutro e para a proteo (terra).

    Figura 2.1 Esquema de aterramento TNS.

    (Adaptado da norma NBR 5410, 2004)

    2.1.3.2 SISTEMA TN-C:

    Esse sistema, embora normatizado, no muito aconselhvel, pois os

    condutores de terra e de neutro ao sistema de aterramento so constitudos pelo

    mesmo condutor, e o rompimento de tal condutor pode acarretar danos e riscos ao

    patrimnio e a vida (CAPELLI, 2007).

    A identificao do condutor agora PEN e no PE como o esquema anterior.

    Pode-se notar pela figura 2.2 que, aps o neutro ser aterrado na entrada, ele prprio

    ligado ao neutro e massa do equipamento. O maior problema que este sistema

    estabelece que prximo ao eletrodo de aterramento, a tenso entre a terra e este

    condutor praticamente nula, j na medida em que se afasta da origem da

    instalao, a tenso entre o eletrodo de aterramento e o condutor PEN aumenta,

    logo h queda de tenso sobre este condutor (MORENO e COSTA, 2011).

  • 26

    Figura 2.2 Esquema de aterramento TNC.

    (Adaptado da norma NBR 5410, 2004)

    2.1.3.3 SISTEMA TT:

    Esse sistema o mais eficiente de todos para subsistemas eletroeletrnicos

    que necessitam do potencial de referncia de terra para circuitos de controle e

    comando (CAPELLI, 2007). Na figura 2.3 vemos que o neutro aterrado logo na

    sada e segue, como neutro, at a carga (equipamento). A massa do equipamento

    aterrada com uma haste prpria, independente da haste de aterramento do neutro.

    Figura 2.3 Esquema de aterramento TT. (Adaptado da norma NBR 5410, 2004)

  • 27

    2.2 MEDIO DO ATERRAMENTO ELTRICO

    A verificao das condies eltricas para instalao de um sistema de

    aterramento necessrio para obteno da deciso correta de instalao visando a

    adequao da normatizao vigente, j apresentada. Logo a medio do

    aterramento eltrico constitui-se a principal ferramenta de resposta, a qual

    apresentada a seguir.

    2.2.1 MEDIO DA RESISTIVIDADE DO SOLO

    Segundo (KINDERMANN e CAMPAGNOLO, 1995) os mtodos de medio

    so resultados da anlise de caractersticas prticas das equaes de Maxwell do

    eletromagnetismo, aplicadas ao solo.

    A conceituao de resistividade do solo pode ser entendida como a

    resistncia eltrica medida entre as faces opostas de um cubo de dimenses

    unitrias (aresta L de 1 m, rea das faces A de 1 m) preenchida com este solo,

    conforme expresso da eletrodinmica j conhecida (VISACRO FILHO, 2002).

    L

    AR.= (2.2)

    Sendo:

    - resistividade, em .m;

    R - resistncia, em ;

    A - rea, em m;

    L - comprimento, em m.

    To logo se verifica que um solo apresenta sua resistividade dependente das

    dimenses do sistema de aterramento, pois a disperso de correntes eltricas atinge

    camadas profundas com o aumento da rea envolvida pelo aterramento. Neste caso

    necessrio conhecer a resistividade aparente que o solo apresenta para o

    aterramento pretendido, pois a resistividade do solo espelha suas caractersticas

    geoeltricas (KINDERMANN e CAMPAGNOLO, 1995).

    Para tanto o levantamento dos valores de resistividade do solo so realizadas

  • 28

    atravs de medies em campo com a utilizao de mtodos de prospeco

    geoeltricas, dentre os quais so citados pela bibliografia em geral: Mtodo de

    Wenner, Mtodo de Lee e Mtodo de Schlumbeger Palmer. Aceito universalmente

    para medies de resistividade do solo, o mtodo de Wenner ser enfatizado neste

    trabalho.

    2.2.2 MTODO DE WENNER

    O mtodo consiste na utilizao de um Megger, instrumento de medida de

    resistncia que possui quatro terminais, dois de corrente e dois de potencial. O

    equipamento, atravs de sua fonte interna, injeta corrente eltrica, I, entre as duas

    hastes externas que esto conectadas aos terminais de potencial C1 e C2.

    Figura 2.4 Mtodo de Wenner para medio de resistividade de solo.

    (Adaptado de KINDERMANN e CAMPAGNOLO, 1995) Sendo:

    R - Leitura do Megger da resistncia hmica do solo, em ;

    a - Espaamento das hastes cravadas no solo, em m;

    p - Profundidade das hastes cravadas no solo, em m.

    Com as informaes do valor da resistncia de terra, R, e ancorada numa

    equao de Palmer utiliza-se a expresso matemtica a seguir para determinao

    da resistividade aparente, ,de determinado solo.

    Ra...2 = (2.3)

  • 29

    2.3 SOLO

    O conhecimento de processos corrosivos existentes nos solos de

    fundamental importncia para o estudo e aplicaes de tcnicas de combate

    corroso, tais como, a aplicao de revestimentos protetores e proteo catdica ou

    por corrente impressa aos materiais enterrados (JUC, 2004).

    O solo constitui-se a camada mais superficial da crosta terrestre, e

    composta por sais minerais dissolvidos na gua intersticial, seres vivos e rochas em

    decomposio, sendo que h muitas variaes de terreno para terreno dos

    elementos presentes no solo. A classificao brasileira de solos apresenta 13 ordens

    de solos, os quais so: Argissolo, Cambissolo, Chernossolo, Espodossolo, Gleissolo,

    Latossolo, Luvissolo, Neossolo, Nitossolo, Organossolo, Planossolo, Plintossolo e

    Vertissolo (EMBRAPA, 2006).

    J a velocidade de corroso no muito influenciada por pequenas variaes

    na composio ou microestrutura do material metlico, sendo mais influente a

    natureza e o tipo de solo. Devem ser destacados os parmetros participantes da

    ao corrosiva do solo como a aerao, o teor de umidade, o valor de pH, o

    potencial redox, a resistividade eltrica, as condies climticas, a heterogeneidade

    do solo e a presena de sais solveis, gases e microorganismos (GENTIL, 2003).

    Mas o item mais importante para determinao da resistividade do solo diz

    respeito granulometria e a natureza do solo, os quais se apresentam classificados

    em solos arenosos, solos siltosos, solos argilosos, latossolos, solos lixiviados, solos

    negros das plancies e das pradarias, solo rido, solos de montanhas e solos

    orgnicos (VISACRO FILHO, 2002).

    2.3.1 RESISTIVIDADE DO SOLO

    Como apresentado resistividade eltrica do solo um dos fatores mais

    importantes no processo corrosivo sobre metais enterrados. Como a resistividade

    eltrica diretamente proporcional resistncia eltrica, quanto menor seu valor,

    mais facilmente proporciona a formao de pilhas corrosivas e maior a facilidade

    para o fluxo de correntes parasitas (UHLIG, 1948).

    Vrios fatores influenciam na resistividade do solo, sendo importante ressaltar

    (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995):

  • 30

    Tipo de solo e mistura de diversos tipos de solos;

    Solos constitudos por camadas estratificadas com profundidades e materiais

    diferentes;

    Teor de umidade;

    Temperatura;

    Compactao e presso;

    Composio qumica dos sais dissolvidos na gua retida;

    Concentrao de sais dissolvidos na gua retida.

    A tabela 2.1 descrita por (VISACRO FILHO, 2002) apresenta a variao dos

    valores de resistividade apresentados para alguns tipos de solos.

    Tabela 2.1 Faixa de valores usuais de resistividade de certos tipos de solos.

    Tipo de Solo Resistividade (.m)

    Lama 5 a 100

    Hmus 10 a 150

    Limo 20 a 100

    Argilas 80 a 330

    Terra de jardim 140 a 480

    Calcrio fissurado 500 a 1000

    Calcrio compacto 1000 a 5000

    Granito 1500 a 10000

    Areia comum 3000 a 8000

    Basalto 10000 a 20000

    Conforme observado anteriormente resistividade do solo importantssima

    para os valores de resistncia de um sistema de aterramento, tenses de passo e

    contato. Entretanto conforme observado na tabela 2.1 para um mesmo solo h uma

    enorme variao destes valores, devido aos fatores j enumerados.

    Neste contexto em solos que apresentam elevada resistividade eltrica a

    condutncia3 dos eletrodos de aterramento muito inferior em relao a solos de

    baixa resistividade, fato este que atesta que para uma mesma magnitude de

    corrente de dissipao o gradiente de potencial muito maior em solos que

    apresentam alta resistividade eltrica (VISACRO FILHO, 2002).

    3 Condutncia o inverso da resistncia eltrica, unidade no SI, Siemens.

  • 31

    2.3.2 TRANSPORTE INICO PELO SOLO

    O solo apresenta trs propriedades fsicas distintas as quais so elencadas

    (MACANHO e LIMA, 2005):

    Fase slida, composta por partculas minerais formando uma estrutura

    porosa, no qual os poros so denominados vazios, e os elementos que o

    compe so denominados slidos;

    Fase lquida, formada pela gua;

    Fase gasosa, composta pelo ar, que se apresenta nos espaos vazios do

    solo.

    So diversos os fatores que afetam o transporte, o destino e a transformao

    de espcies inicas no solo, sendo difcil e complexo o entendimento de como os

    ons podem ser mobilizados e o que acontece aps sua mobilizao. J os

    processos envolvidos no transporte de metais no meio poroso podem ser

    classificados como processos qumicos que esto relacionados interao on-solo,

    isto , a transferncia dos ons da soluo por partculas slidas ou vice versa e a

    processos fsicos que descrevem a movimentao fsica atravs do espao poroso

    (DELGADO, 1991).

    Na frao inorgnica do solo os principais minerais encontrados so

    compostos dos anions sulfato, cloreto, haleto, carbonato, sulfito, xido, hidrxido,

    xi-hidrxido, fostato, siliconato e aluminossilicato. J na frao orgnica do solo so

    encontrados os resduos orgnicos formados por tecidos de plantas e animais em

    vrios estgios de decomposio, tecidos microbianos vivos, substncias no

    hmicas como aminocidos, gorduras, carboidratos, e substncias hmicas4

    (STEVENSON, 1994).

    2.3.3 TRATAMENTO QUMICO DO SOLO

    Como todo sistema de aterramento depende totalmente das condies,

    caractersticas e resistividade aparente do solo, ento uma das maneiras de diminuir

    a resistncia eltrica do aterramento alterando as caractersticas do solo com

    4 Substncias hmicas: so ligadas atividade de enzimas e microrganismos do solo sobre o material orgnico incorporado, cuja principal fonte constituda pelos resduos vegetais.

  • 32

    procedimentos de tratamento qumico, visando atingir os valores padres. Os

    materiais empregados para um bom tratamento do solo devem ter as seguintes

    caractersticas (KINDERMANN e CAMPAGNOLO, 1995):

    Excelente higroscopia (facilidade em absorver gua).

    No lixiviao5, no corrosividade e no toxidade;

    Baixa resistividade eltrica;

    Estabilidade qumica no solo;

    No causar dano natureza.

    Atualmente so comercializados e utilizados os seguintes produtos e

    compostos qumicos para realizao do tratamento de solos de alta resistividade:

    Bentonita: material argiloso, no corrosivo (pH alcalino) que absorve

    facilmente a gua, retendo a umidade, de boa conduo de eletricidade e

    baixa resistividade (1,2 a 4 .m);

    Earthron: material lquido de lignosulfato (principal componente da polpa da

    madeira) mais um agente geleificador a sais inorgnicos que no solvel em

    gua e no corrosivo, quimicamente estvel e cujo efeito de longa durao.

    Gel: mistura de diversos sais, quimicamente estvel, no solvel em gua,

    higroscpico, no atacado por cidos contidos no solo.

    Figura 2.5 Tratamento qumico do solo. (Adaptado MIT 163104 da Copel, 2004)

    5 Lixiviao: Processo de extrao de determinada substncia presente em componentes slidos atravs de sua dissoluo num lquido.

  • 33

    Entretanto segundo a norma de aterramento em redes de distribuio da

    Copel o processo de tratamento qumico do solo que vislumbra a diminuio de sua

    resistividade apresenta o problema da utilizao de produtos qumicos,

    anteriormente elencados, que no so estveis ao longo do tempo e seus

    subprodutos so facilmente lixiviados (lavados) pela ao da chuva no solo. Nestas

    condies verifica-se um acrscimo sobre o valor da resistncia de aterramento com

    o tempo, devido lixiviao do produto aplicado. Alm disso, esses produtos

    normalmente atacam o material constituinte da malha (hastes e condutores),

    provocando corroso e oxidao e, portanto, aumentando de qualquer forma o valor

    da resistncia de aterramento.

    2.3.4 CORROSIVIDADE DO SOLO

    Como j mencionado a ao corrosiva do solo est diretamente

    correlacionada com suas caractersticas fsico-qumicas, microbiolgicas e tambm

    associadas s condies que dado sistema de engenharia coexiste, depende e

    opera, quais sejam: fundaes de estruturas civis, tubulaes metlicas enterradas,

    malhas e eletrodos de aterramento eltrico, sendo que ainda pode ser

    potencializada pela combinao de mais de uma dessas caractersticas (MORENO e

    COSTA, 2011).

    O trabalho desenvolvido por (NEVEUX, 1968), tabela 2.2, estabelece uma

    avaliao da corrosividade do solo atravs da relao entre a resistividade eltrica

    no solo em que se situa e seu grau de agressividade. Ele observa que h perigo

    certo quando a resistividade for menor que 1000 .cm, h incerteza na faixa de

    1000 e 5000 .cm e no h perigo algum quando maior que 5000 .cm.

    Tabela 2.2 Grau de corroso do solo em funo da resistividade eltrica.

    Grau de Agressividade Resistividade (.cm)

    Extremamente agressivo 10000

  • 34

    2.4 ELETRODO DE ATERRAMENTO

    O eletrodo de aterramento um condutor ou conjunto de condutores

    enterrados no solo e eletricamente ligados a terra. As normas brasileiras

    estabelecem que quando o aterramento utilizar eletrodo de aterramento

    convencional a seleo e instalao dos componentes do aterramento devem

    obedecer (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995):

    O tipo e a profundidade de instalao dos eletrodos de aterramento devem

    ser tais que as mudanas nas condies do solo no aumentem a resistncia

    do aterramento dos eletrodos acima do valor exigido;

    O projeto do aterramento deve considerar o possvel aumento da resistncia

    de aterramento dos eletrodos devido corroso;

    Resistam s solicitaes trmicas, termomecnicas e eletromecnicas;

    Sejam adequadamente robustos ou possuam proteo mecnica apropriada

    para fazer face s condies de influncias externas;

    Apresente baixo valor de resistncia e impedncia de aterramento;

    Tenha distribuio espacial conveniente.

    Para uma haste cravada verticalmente em um solo homogneo deve

    apresentar um valor de resistncia eltrica que pode ser determinada pela

    expresso matemtica a seguir (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995):

    =

    D

    L

    LR haste

    .4ln.

    ..21

    (2.4)

    Sendo:

    R1haste resistncia eltrica apresentada por uma haste de aterramento, sem

    interferncias de outras hastes, em ;

    resistividade aparente do solo, em .m;

    L comprimento da haste, em m;

    D dimetro da circunferncia equivalente rea da seco transversal da

    haste, em m.

  • 35

    Nem sempre o aterramento com uma nica haste fornece o valor da

    resistncia desejada. Neste caso pode-se utilizar como parmetros que influenciam

    na reduo do valor da resistncia eltrica (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995):

    Aumentar o dimetro da haste;

    Dispor as hastes em paralelo;

    Aumentar o comprimento da haste;

    Reduzir a resistividade aparente do solo com prticas de tratamento qumico

    no solo.

    Pode-se observar tambm pela equao matemtica 2.4 que a mesma diz

    respeito ao formato da cavidade e a geometria que a haste se dispe no solo, to

    logo o fluxo formado pelas linhas de corrente eltrica que entram ou saem do solo se

    utilizam da forma da cavidade. Neste caso R1haste, refere-se to somente

    resistncia eltrica da forma geomtrica do sistema de aterramento interagindo com

    o solo, sendo que tal valor representa somente uma parcela da resistncia do

    aterramento de um equipamento.

    A resistncia total vista pelo aterramento de um equipamento, ou a resistncia

    de aterramento conta ainda com as seguintes parcelas (VISACRO FILHO, 2002):

    Em escalas menores: a resistncia da conexo do cabo de ligao com o

    equipamento, a impedncia do cabo de ligao, a resistncia da conexo do

    cabo de ligao com o sistema de aterramento empregado;

    Em parcelas considerveis: a resistncia do material que forma o sistema de

    aterramento, a resistncia de contato do material com a terra, a resistncia da

    cavidade geomtrica do sistema de aterramento com a terra (R1haste) e a

    resistncia da terra.

    A norma brasileira NBR 5410 - Instalaes Eltricas de Baixa Tenso no

    determina a obrigatoriedade de qual material a ser empregado como eletrodo de

    aterramento, sendo que atualmente os eletrodos mais utilizados so (KINDERMANN

    e CAMPAGNOLO, 1995):

    Tipo Copperweld: uma barra de ao de seco circular onde o cobre

    fundido sobre a mesma;

    Tipo encamisado por extruso: a alma em ao revestida por um tubo de

    cobre atravs do processo de extruso;

  • 36

    Tipo Cadweld: o cobre depositado eletroliticamente sobre a alma de ao

    trefilado de seco circular por eletrodeposio em camadas de 20 e 254

    mcrons;

    Haste de cantoneira de ferro zincado (em desuso).

    Como anteriormente mencionado a norma brasileira da ABNT NBR 5410, a

    qual possui como um de seus principais objetivos dar provimento a regulamentao

    das instalaes eltricas com fornecimento em tenso secundria apresenta

    algumas caractersticas de eletrodos convencionais de aterramentos, conforme

    informado na tabela 2.3.

    Tabela 2.3 Eletrodos de aterramento convencionais. (Adaptado da NBR 5410, 2004)

    Tipo de Eletrodo Dimenses mnimas Observaes

    Tubo de ao zincado 2,40 m de comprimento e

    dimetro nominal de 25 mm

    Enterramento totalmente

    vertical

    Perfil de ao zincado Cantoneira de (20mmx20mmx3mm) com 2,40 m de comprimento Enterramento totalmente

    vertical

    Haste de ao zincado Dimetro de 15 mm com 2,00

    ou 2,40 m de comprimento

    Enterramento totalmente

    vertical

    Haste de ao revestida

    com cobre

    Dimetro de 15 mm com 2,00

    ou 2,40 m de comprimento

    Enterramento totalmente

    vertical

    Haste de cobre Dimetro de 15 mm com 2,00

    ou 2,40 m de comprimento

    Enterramento totalmente

    vertical

    Fita de cobre 25 mm de seo, 2 mm de espessura e 10 m de comprimento

    Profundidade mnima de 0,60 m. Largura na

    posio vertical

    Fita de ao galvanizado 100 mm de seo, 3 mm de espessura e 10 m de comprimento

    Profundidade mnima de 0,60 m. Largura na

    posio vertical

    Cabo de cobre 25 mm de seo e 10 m de comprimento

    Profundidade mnima de 0,60 m. Posio

    horizontal

    Cabo de ao zincado 95 mm de seo e 10 m de comprimento

    Profundidade mnima de 0,60 m. Posio

    horizontal

    Cabo de ao cobreado 50 mm de seo e 10 m de comprimento

    Profundidade mnima de 0,60 m. Posio

    horizontal

  • 37

    2.4.1 MATERIAIS DE SISTEMAS DE ATERRAMENTO

    Conforme informao da tabela 2.3, as caractersticas dos principais materiais

    utilizados em sistemas de aterramentos so elencadas nos subtpicos que se

    sucedem.

    2.4.1.1 COBRE

    Cobre o metal mais utilizado na eletricidade em geral e tambm em

    sistemas de aterramento devido a sua elevada condutividade e por sua posio

    privilegiada na tabela eletromotiva, maior tendncia de comportar-se como ctodo

    em relao a outros metais presentes no solo e apresentar maior resistncia frente a

    solos corrosivos (VISACRO FILHO, 2002).

    Entretanto malhas de aterramento constitudas em cobre formam clulas

    galvnicas em potencial, caso estejam enterradas prximas a estruturas de aos e

    tubulaes metlicas, promovendo a corroso destes, e em outras situaes tendem

    a corrosividade, a ser apresentadas na sequncia deste trabalho.

    2.4.1.2 AO COBREADO

    o estado material das principais hastes encontradas no mercado, tendo

    como alma do eletrodo o ao e camada de revestimento em cobre. Para sistemas

    eltricos de CA e surtos de altssima frequncia, devido a fenmenos atmosfricos e

    chaveamentos de rede o efeito pelicular6 explica a conduo pela camada de cobre

    externa. Entretanto o grande problema percebido em malhas de aterramento com

    ao cobreado a corroso, devido principalmente a duplicidade de materiais de

    potenciais eletromotivos distintos empregados em cada haste (MORENO e COSTA,

    2011).

    Neste contexto a norma NBR 13571 que titula-se: Haste de Aterramento Ao

    Cobreada e Acessrios da ABNT, apresenta a normatizao vigente das

    caractersticas tcnicas referente aos eletrodos de aterramento cobreados, sendo a

    figura 2.6 representativa desta padronizao.

    6 Efeito Pelicular ou Efeito Skin: Em sistemas eltricos oscilantes o comportamento apresentado na conduo de corrente eltrica pelas extremidades ou bordas de um condutor cilndrico.

  • 38

    Figura 2.6 Padronizao de haste de ao cobreada. (Adaptado NBR 13571,1996)

    As letras representam:

    C espessura de revestimento do cobre, em m;

    D dimetro da haste de aterramento, em m;

    E dimetro de ponta da haste de aterramento, em m;

    H dimenso de ponta da haste de aterramento, em m;

    L comprimento da haste de aterramento, em m.

    A presente normatizao em suas subsees 5.4.1, 5.4.2 e 6.6.2 especificam

    que a haste deve ser protegida contra corroso por um revestimento uniforme de

    cobre, obtida pelo processo de eletrodeposio e ter espessura de revestimento em

    cobre, apresentada na figura 2.6 como a dimenso C, no inferior a 0,254mm e que

    este mesmo revestimento protetor de cobre deve ser suficientemente plstico e

    malevel afim de acompanhar a deformao do ncleo no ensaio de dobramento,

    no devendo apresentar fissuras, deslocamentos, rachaduras e enrugamentos.

    J o material trefilado da barra cilndrica do ncleo da haste, alma, deve ser

    em ao carbono, ABNT 1010/1020 em conformidade com a norma da ABNT NBR

    NM 87 de 2000 - Ao Carbono e Ligados para Construo Mecnica - Designao e

    Composio Qumica.

    2.4.1.3 ALUMNIO

    Utilizado geralmente em aterramentos de equipamentos cuja carcaa

    tambm em alumnio ou ligas de alumnio, porm apresenta susceptibilidade a

    corroso em alguns tipos de solos, sendo que sua camada superficial formada aps

    corroso torna-se uma pssima condutora de corrente eltrica. Outro fato importante

  • 39

    a mencionar que em sistemas eltricos de CA a corroso gradual do alumnio

    muito mais efetiva em relao aos outros materiais. Devido a sua posio na tabela

    eletromotiva, o alumnio apresenta comportamento de nodo em relao a um meio

    eletroltico com metais encontrados enterrados. Para este caso o alumnio deve ser

    utilizado como eletrodo de aterramento aps minunciosa investigao.

    Segundo (MORENO e COSTA, 2011) uma das diferenas mais marcantes

    entre o cobre e o alumnio est na forma de realizar as conexes entre condutores e

    a haste. Pois quando exposto ao ar, a superfcie do alumnio imediatamente

    recoberta por uma camada invisvel de xido, de difcil remoo e altamente isolante,

    sendo que em condies normais ao prover conexo entre um condutor de alumnio

    e uma haste tambm em alumnio como se estivssemos colocando em contato

    dois metais isolados eletricamente, ou seja, no haveria um bom contato eltrico

    entre eles. Logo em conexes em alumnio, um bom contato somente conseguido

    atravs do rompimento desta camada de xido, funo esta obtida somente atravs

    da utilizao de conectores de presso apropriados.

    2.4.1.4 AO

    Tambm utilizado em sistemas de aterramento, principalmente em

    concepes de vrios sistemas aterrados equipotencializados que apresentam

    SPDA estrutural, ou o chamado vergalho rebar. Devido a sua grande tendncia a

    corroso, geralmente se utiliza ao galvanizado a fogo.

    2.5 CORROSO EM SISTEMAS DE ATERRAMENTO ELTRICO

    Corroso origina-se do latim corrodere, que significa destruio gradativa ao

    longo do tempo, associada degradao das propriedades dos metais ao do

    meio. Tal fato deve-se ao processo natural que o metal apresenta a retornar ao seu

    estado primitivo, ou seja, estado mineral (GENTIL, 2003).

    J (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995) afirma que em sistemas de

    aterramento eltrico tal ao reduz a durabilidade de seus materiais constituintes e

    principalmente desempenho e confiabilidade. Neste contexto a corroso em

    sistemas de aterramento eltrico est associada corroso metlica, que a

  • 40

    transformao de um material ou liga metlica pela interao qumica ou

    eletroqumica num determinado meio de exposio, processo o qual resulta na

    formao de produtos de corroso e na libertao de energia. Quase sempre a

    corroso metlica, devido ao mecanismo eletroqumico, est associada exposio

    do metal num meio no qual existe a presena de molculas de gua juntamente com

    o gs oxignio ou ons de hidrognio num meio condutor.

    Ainda segundo (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995) os sistemas de

    aterramento so constitudos por materiais condutores base de metais e estando

    sob um meio eletroltico, terra, o processo de corroso sempre estar presente, pois

    condutores, hastes e conexes enterradas em solo (meio eletroltico), sofrero os

    efeitos da corroso alicerados pelos seguintes fatores enumerados:

    Heterogeneidade dos materiais que formam o sistema de aterramento;

    Heterogeneidade dos solos abrangidos por malhas e sistemas de

    aterramentos;

    Heterogeneidade do tipo e concentrao de sais, matria orgnica e umidade

    do solo no qual o sistema de aterramento se encontra presente;

    Variao de temperatura no sistema de aterramento;

    Aerao diferencial;

    Ao de correntes de fuga ou parasitas.

    2.5.1 REAO DE CORROSO

    Para realizao do processo de corroso eletroqumica necessria

    presena dos quatro elementos a seguir, os quais agrupados em condies

    propcias formaro a pilha eletroqumica (GENTIL, 2003):

    Eletrodo andico: o qual libera os seus ons positivos para o meio eletroltico,

    gerando excesso de eltrons, associado ao potencial negativo;

    Eletrodo catdico: elemento que no se dissolve na reao eletroqumica,

    sendo considerado o eletrodo protegido, logo se estabelece como potencial

    positivo;

    Eletrlito: meio no qual se processa a reao de formao de ons;

    Ligao externa: meio fsico que propicia a conduo dos eltrons do nodo

    para o ctodo.

  • 41

    Devido circulao da corrente eltrica o processo de corroso sempre

    realizar-se- sobre o nodo, isto , no potencial negativo. O nodo dissolve o seu

    metal gerando eltrons e mantendo o potencial negativo. Logo os ons positivos so

    liberados ao eletrlito, caracterizando a corroso. Neste caso pode-se generalizar

    que o eletrodo que sofrer o processo de corroso ser sempre o eletrodo que

    recebe nions da soluo eletroltica.

    Figura 2.7 Pilha eletroqumica contextualizada.

    (Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)

    Salienta-se que em dado sistema de aterramento eltrico a resistncia de

    terra funciona como eletrlito da pilha eletroqumica formada, logo ela quem limita

    o fluxo de corrente. Portanto solos com baixa resistividade podem resultar em altas

    correntes, propiciando elevada corroso galvnica (MORENO e COSTA, 2011).

    2.5.2 ELETRONEGATIVIDADE DE METAIS

    Os metais apresentam como caracterstica principal a eletropositividade, ou

    seja, a tendncia que um tomo possuiu em perder eltrons, entretanto a

    eletronegatividade dos metais est associada diferena de potencial que ir

    ocasionar uma intensidade de corrente eltrica que percorrer metais diferentes,

    proporcionando a reao de corroso. A tabela 2.4 mostra a srie eletromotiva dos

    metais, tendo como padro o potencial do elemento hidrognio, que apresenta o

    valor referencial de zero nesta srie (MORENO e COSTA, 2011).

  • 42

    Tabela 2.4 Srie eletromotiva dos metais a 25C. (MORENO e COSTA, 2011)

    Metal Potencial (V) Comportamento

    Brio 2,90 Extremidade andica (bsica)

    Clcio 2,87

    Sdio 2,71

    Magnsio 2,40

    Alumnio 1,70

    Zinco 0,76

    Nquel 0,23

    Chumbo 0,12

    Ferro 0,04

    Cobre -0,34

    Prata -0,80

    Mercrio -0,80

    Ouro -1,50 Extremidade catdica (nobre)

    Esta tabela eletromotiva estabelece uma anlise da corroso galvnica que

    ocorre quando dois materiais diferentes, imersos em um meio apropriado (eletrlito)

    formam uma pilha eletroqumica. Atualmente os eletrodos de cobre, utilizados em

    aterramentos, apresentam srios efeitos em seus valores de resistncia eltrica

    devido a processo de corroso constitudos em estruturas7 de ferro ou de ao, que

    pertenam a sistemas de proteo contra descargas atmosfricas e se encontram

    eletricamente conectadas a aqueles.

    Com este intuito esta composio elenca que o ctodo ser o metal

    eletricamente mais negativo entre dois metais constitudos em diferentes pontos na

    srie eletromotiva. Neste ponto o cobre apresenta uma condio de destaque em

    relao aos demais metais, estando mais prximo da extremidade nobre da srie

    eletromotiva, o que elucida um maior comportamento catdico frente a processos

    eletroqumicos envolvendo os demais metais. Nota-se ainda pela srie eletromotiva

    que na formao de pilhas eletroqumicas galvnicas formadas no solo pode ocorrer

    induo da corrosividade nos mais diversos materiais metlicos existentes que se

    encontram enterrados em proximidade, e sob o estabelecimento de condies

    favorveis, o processo corrosivo torna-se inevitvel.

    7 Estruturas de ferro ou ao: Menciona-se o fato de geralmente encontrarem-se enterrados em proximidades aos eletrodos de aterramento, tubulaes de ferro (gua ou gs) e estruturas em ao de sapatas e fundaes de prdios, torres ou estruturas civis.

  • 43

    No contexto anteriormente elucidado, o exemplo a seguir dado pela figura 2.8

    vislumbra a anlise do funcionamento da srie eletromotiva de diferentes metais

    frente a um processo ambientado de corroso galvnica atravs de distintos

    sistemas de engenharia funcionais que coexistem enterrados no solo, quais sejam:

    fundao estrutural de uma edificao, tubulao de gua e ou gs e aterramento

    eltrico. A posio relativa de cada metal na srie eletromotiva determina a diferena

    de potencial presente entre estes dois metais e que responsvel pela circulao de

    uma corrente eltrica que sai da tubulao de ferro (nodo) para o eletrodo de

    aterramento (ctodo). No caso em questo, o potencial do ferro +0,04V e o

    potencial do cobre -0,34V, o que resulta em uma diferena de potencial entre ambos

    de 0,38V e que possibilita a circulao de uma corrente eltrica, estabelecendo

    dessa maneira a corrosividade (MORENO et COSTA, 2011).

    Figura 2.8 Corroso galvnica envidenciada atravs da formao de pilha galvnica.

    (Adaptado de MORENO e COSTA, 2011)

    2.5.3 HETEROGENEIDADE DOS MATERIAIS QUE COMPE O SISTEMA DE ATERRAMENTO

    ELTRICO

    Um dos grandes problemas existentes em sistemas de aterramento a

    utilizao de materiais de diferentes metais, os quais apresentam

    eletronegatividades diferentes e que possibilitam a gerao da fora eletromotriz

    para formao da pilha eletroqumica.

    Um exemplo clssico, conforme figura 2.9, consiste no aterramento comum

    de transformadores para baixa tenso, sendo que o mesmo realizado por um

    condutor de descida, geralmente em ao ou ferro, conectado a hastes de

  • 44

    aterramento cobreados. Como o solo contm sais dissolvidos em gua, tm-se

    assim a formao de eletrlito e consequentemente a pilha eletroqumica est

    formada atravs do fluxo de eltrons (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995).

    Outro exemplo a utilizao de metais diferentes quando da conexo entre o

    condutor de aterramento a haste, geralmente utiliza-se como conectores materiais

    como o bronze e o lato que em conectividade com o cobre formam o sistema de

    aterramento eltrico. Logo se observa a grande tendncia para evoluo da

    corroso do sistema envolvido devido aos distintos materiais empregados, sendo

    que deste fato a realizao desta conexo atravs de solda exotrmica em relao

    conexo com conectores configura-se a melhor opo.

    Figura 2.9 Aterramento de BT com condutor em ao e haste em cobre. (Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)

    2.5.4 HETEROGENEIDADE DOS SOLOS ABRANGIDOS POR MALHAS DE ATERRAMENTO

    Este caso ocorre quando uma rea grande no solo provida pelo sistema de

    aterramento, pois sendo o solo heterogneo, cada parte tem diferentes

    concentraes e distribuio de matria orgnica, sais, temperatura e umidade,

    apresentando verdadeiras zonas andicas e catdicas na regio ao qual o

    aterramento est contido (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995).

    Na figura a seguir verifica-se que os eltrons saem da malha pela zona

    catdica e entram na zona andica. Logo, verifica-se que os metais que compem a

    malha de terra na zona andica, sero corrodos, e os da zona catdica sero

    protegidos. A regio de solo com menor resistividade apresentar-se- como zona

  • 45

    andica, logo ser a rea onde ocorrer o processo de corroso. Entretanto como a

    malha encontra-se conectada, logo equipotencializada, a corroso realizada sobre

    determinada zona andica elevar o valor da resistncia de aterramento da prpria

    malha.

    Figura 2.10 Malha de aterramento em zonas de solos distintos.

    (Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)

    Outro fato interessante referente a estes sistemas de aterramento em malhas,

    da qual apresentando corrosividade sob determinado eletrodo contido nesta malha

    poder vir acarretar um aumento da tenso de passo8 na prpria malha existente,

    proporcionando a no equipotencializao do sistema e consequente queima de

    equipamentos e riscos de choques eltricos. Fato importante a salientar que em

    aterramentos profundos, a haste transpe vrias camadas de solos com

    composies distintas, gerando vrias regies andicas e catdicas sobre um

    mesmo eletrodo.

    O caso apresenta enorme complexidade sobre um sistema de distribuio de

    energia eltrica com fornecimento em tenso secundria, ou seja, distribuio em

    baixa tenso com neutro contnuo, pois como h uma grande diversidade de

    aterramentos distribudos por toda a cidade que abrangem reas com solos distintos

    e hastes cravadas para cada imvel, em numerosos sistemas de aterramentos

    diferentes e normatizados: TNC, TNCS, TNS e TT, ocorrem formao de vrias

    pilhas eletroqumicas e por estes sistemas no encontrarem-se ligados, ou seja,

    equipotencializados, as correntes de fuga percorrem todos estes diferentes sistemas

    de aterramento que coexistem neste sistema eltrico no isolado.

    8 Tenso de passo: Mxima diferena de tenso eltrica (potencial) a que est submetida uma pessoa ao andar nas proximidades de um sistema de aterramento.

  • 46

    Estas correntes circulando pelo solo iro corroer os metais contidos em reas

    de regies andicas, quais sejam eletrodos de aterramento, tubulaes de ferro

    (gua ou gs), sapatas e ferragens de edificaes, viadutos, tanques enterrados,

    torres de telecomunicaes, etc; logo, todos os metais que esto em reas de solos

    com menores resistividades.

    2.5.5 HETEROGENEIDADE DEVIDO A CONCENTRAO DE SAIS, UMIDADE E VARIAO DA

    TEMPERATURA DO SOLO

    Este tpico vem novamente alicerar a ideia de que material de mesma

    natureza e em malha de aterramento e que possua equipotencialidade eltrica

    garantida, situado em regio do solo de menor resistividade, isto , sob uma zona

    andica, ser corrodo. Pois apesar de termos um solo que apresente a mesma

    natureza ao longo da malha, a diferena de concentraes de solues, tipos de

    sais e umidade produzem estas zonas andicas e catdicas, (KINDERMANN e

    CAMPGNOLO, 1995), conforme apresenta a figura 2.11.

    Figura 2.11 Mesmo solo com distintas concentraes de sais e umidade. (Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)

    J quando um sistema de aterramento encontra-se em regies com

    temperaturas distintas, tem-se a ao termogalvnica, sendo que a regio com

    temperatura superior agir como nodo, e ser corroda, e a regio mais fria ser

    protegida.

    Tal situao principalmente condicionada a hastes longas e aterradas em

    grandes profundidades. A figura 2.12 apresenta esta condio.

  • 47

    Figura 2.12 Ao termogalvnica em haste profunda. (Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)

    2.5.6 AERAO DIFERENCIAL

    mais pronunciado em solos porosos, pois nestes solos com aerao

    diferente, tem-se a formao de eletrlitos diferentes, criando as regies andicas e

    catdicas, logo a pilha eletroqumica formada por aerao diferencial devido a

    diferena de concentrao de oxignio (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995).

    Neste caso, a regio mais aerada da haste o ctodo e a menos aerada

    consequentemente ser o nodo, ou seja, a regio corroda. Logo a corroso em um

    aterramento profundo, construdo de um mesmo material, ocorre na parte da haste

    mais enterrada no solo, conforme visualizada na figura 2.13.

    Figura 2.13 Aerao diferencial em solo poroso. (Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)

  • 48

    Tal fato extremamente preocupante, pois quanto mais profundo a haste de

    aterramento encontrar-se instalada maior a dificuldade de verificao da corroso

    instalada, devido regio corroda se estabelecer na parte da haste mais distante do

    solo e difcil visualizao.

    2.5.7 AO DE CORRENTES ELTRICAS DISPERSAS NO SOLO (CORRENTES DE FUGA OU

    CORRENTES PARASITAS)

    Como o solo configura-se o grande potencial zero, ou seja, referencial para

    qualquer sistema eltrico gerado em relao a ele, h correntes provenientes de

    diversas fontes geradoras. Estas correntes dispersas (correntes de fugas ou

    parasitas) procuram os caminhos de menor resistncia, tais como encanamentos

    metlicos, trilhos de transporte ferrovirio ou metr, tubulaes, sapatas e ferragens,

    condutores enterrados quaisquer, solos de menor resistividade e principalmente

    sistemas de aterramento, conforme se observa na figura 2.14 (CAPELLI, 2007).

    Tais correntes dispersas no solo podem apresentar-se de qualquer tipo, ou

    seja, contnuas, pulsantes, alternadas. Com relao corroso as correntes

    contnuas, so mais atuantes que as correntes alternadas, sendo que a ordem de

    grandeza para uma corrente eltrica contnua de mesmo valor, a corrente alternada9

    contribui somente com 1% da corroso que a corrente contnua. Deste fato

    importante salientar que correntes contnuas so as grandes motivadoras para

    sistemas corrosivos atravs da formao da pilha eletroqumica (VISACRO FILHO,

    2002).

    As fontes geradoras de correntes dispersas nos solos que possuem mais

    abrangncia so (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995):

    Correntes galvnicas devido a pilhas eletroqumicas formadas no solo,

    geradas atravs dos processos anteriormente mencionados;

    Correntes devido trao eltrica de corrente contnua em sistemas de

    transporte ferrovirio ou metr, com retorno pelos trilhos;

    Corrente alternada em retorno pela terra, sistemas rurais em MRT;

    9 Valor eficaz: O valor eficaz de qualquer corrente eltrica peridica igual ao valor da corrente contnua que, passando por uma mesma resistncia entrega a esta a mesma potncia.

  • 49

    Corrente telrica, geradas pelas variaes de campos magnticos

    provenientes da movimentao do magma terrestre;

    Corrente contnua em sistema de transmisso em CC atravs do

    estabelecimento de bipolos, com retorno pela terra;

    Correntes alternadas provenientes de curto-circuito em sistemas de energia

    eltrica com a existncia de correntes de sequncia zero10.

    Figura 2.14 Correntes eltricas de fuga presentes no solo provocando corroso em uma malha de

    aterramento eltrico. (Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)

    Notadamente os pontos onde estas correntes de eltrons entram no condutor

    formaro uma regio andica, a qual sofrer corroso e a regio catdica, protegida,

    ser a regio formada pelas partes onde o fluxo de eltrons deixa o condutor.

    Percebe-se que sistemas de aterramento sempre se encontraro sob ao de

    potenciais de corrosividade, dado que a rede de distribuio secundria de energia

    das cidades concebida para atuar em esquemas de aterramentos TN e TT, os

    quais apresentam os mais variados tipos de metais funcionando como eletrodos de

    aterramento enterrados sob as mais diversas composies de solos que

    consequentemente apresentam resistividades eltricas diferentes, somado a

    proximidade de tubulaes de gua, gs e outros subsistemas existentes, como

    sapatas e estruturas civis enterradas. Outro fato o descaso existente nos projetos

    de malhas, seja devido omisso frente a uma anlise profunda no estudo do solo e

    dos materiais utilizados, emprego e disposio de hastes, e a eventuais substncias

    qumicas presentes no solo que comprometam seu estado fsico e atacam o metal

    responsvel pela condutividade e escoamento das cargas eltricas terra.

    10 Correntes de sequncia zero: Tpicas de sistemas eltricos que envolvam a referncia de terra, na anlise de curto-circuito em sistemas eltricos desequilibrados as correntes de sequncia zero permitem que a corrente eltrica de curto-circuito circule pela terra.

  • 50

    2.6 TCNICAS ELETROQUMICAS DE PESQUISA

    Visando o desenvolvimento do mto