e.a. - Aterramento de Sistemas Elétricos

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ATERRAMENTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS

Um sistema de aterramento projetado e montado corretamente é um dos requisitosfundamentais para o bom funcionamento de um sistema elétrico, principalmente noque diz respeito a confiabilidade e segurança. Esse sistema tem a função principal de : - fazer com que a resistência de terra tenha valores os mínimos possíveis, paraescoar as correntes de falta a terra; - fazer com que os potenciais produzidos pela passagem da corrente de falta,fiquem dentro dos limites de segurança, evitando danos a pessoas e animais; - tornar os equipamentos de proteção mais sensíveis, fazendo com que ascorrentes de fuga a terra sejam isoladas rapidamente; - permitir um escoamento seguro das correntes de descarga atmosférica; - eliminar as cargas estáticas geradas nas carcaças dos equipamentos. Para iniciarmos o estudo de elaboração do projeto de um sistema de aterramentonecessitamos conhecer a resistividade do solo, bem como suas característicasprincipais no que diz respeito ao tipo ou tipos de solo, sua estratificação emcamadas, teor de umidade, temperatura etc. A resistividade do solo varia significativamente com a elevação da umidade. Aquantidade maior de água faz com que os sais presentes no solo, se dissolvam,formando um meio eletrolítico favorável à passagem de corrente iônica. A partir destas considerações já podemos concluir que os aterramentos melhoramsuas características nos períodos de chuva e pioram nos períodos de seca. A temperatura também influencia na variação de resistividade do solo. Verifica-se noque se refere somente a temperatura que o valor da resistividade não varia muitoentre as temperaturas de 10 a 60°C, porém aumenta seu valor significativamentequando esta temperatura chega próximo a 100°C, onde o estado de vaporizaçãodeixa o solo mais seco, com formação de bolhas internas, dificultando a condução decorrente. Essa resistividade aumenta também bruscamente e de maneirasignificativa quando a temperatura fica abaixo de zero, tendo em vista que com ogelo ocorre uma mudança brusca no estado de ligação entre os grânulos que formama concentração eletrolítica, tornado o solo mais seco. No que diz respeito ao tipo de solo e à sua estratificação, sabemos que na suagrande maioria os solos não são homogêneos, mas sim formados por diversascamadas de resistividade e profundidade diferentes. Essas camadas, devido àformação geológica, são normalmente horizontais e paralelas à superfície do solo.Esta variação da resistividade nas diversas camadas do solo provoca variação nadispersão da corrente de defeito ou de descarga, e deve ser levada em consideraçãono projeto do sistema de aterramento.

LIGAÇÃO À TERRA DE EQUIPAMENTOS E PARTES METÁLICAS

Ao ocorrer um curto circuito ou fuga de corrente para a terra, espera-se que acorrente seja elevada o suficiente para que a proteção atue, eliminando o defeito omais rápido possível. Enquanto a proteção não atua, a corrente de defeito escoapara o solo, e gera potenciais distintos nas massas metálicas e superfícies do solo. Para termos um sistema seguro e eficiente, devemos aterrar todas as partesmetálicas sujeitas a um eventual contato com as partes energizadas, para que emcaso de algum defeito, o sistema estabeleça um curto circuito fase terra, elevando acorrente a valores tais que provocarão a atuação da proteção, desenergizando osistema. Devemos portanto efetuar a ligação dos equipamentos elétricos a um aterramento omelhor possível, dentro das condições do solo, de modo que a proteção sejasensibilizada o mais rápido possível, e os potenciais de toque e passo fiquem abaixo

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Sistemas de Aterramento http://www.engenheirosassociados.com.br/info_aterramento.htm

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dos limites críticos de fibrilação ventricular do coração humano.O sistema de aterramento basicamente pode ser feito através de uma simples haste,de diversas hastes interligadas (alinhadas, em triângulo, em círculo etc.), com placasde material condutor, fios ou cabos estendidos ou de outras formas previstas emnorma. A escolha do sistema de aterramento depende do tamanho, tensão,importância e características do sistema. O sistema mais eficiente é quando oaterramento é realizado através de uma malha de terra. O projeto de um sistema de aterramento deve seguir basicamente as seguintesetapas: a) Definir o local de aterramento; b) Realizar varias medições da resistividade do solo no local previsto; c) A partir dessas medições realizar a estratificação do solo com suas respectivascamadas; d) Definir o tipo de sistema de aterramento necessário; e) Calcular a resistividade aparente do solo; f) Dimensionar o sistema de aterramento, levando em consideração a sensibilidadedos relés, e os limites de segurança pessoal, isto é, da fibrilação ventricular docoração.

MEDIÇÃO DA RESISTIVIDADE DO SOLO O ponto inicial do nosso processo é a definição do local onde será feito o sistema deaterramento. Esta definição deve ser analisada cuidadosamente caso a caso,levando-se em consideração as características do sistema elétrico que será aterrado,a disponibilidade de local, as características econômicas do projeto, a segurança daspessoas, a possibilidade de inundação do terreno e as medidas preliminaresrealizadas no local. O solo apresenta resistividade que depende do tamanho do sistema de aterramento.A dispersão da corrente elétrica atinge camadas profundas com o aumento da áreaenvolvida pelo aterramento. Para efetuar o projeto do sistema de aterramento deve-se conhecer a resistividadeaparente que o solo apresenta. O levantamento destes valores de resistividade éfeito através de medições em campo, utilizando métodos de prospecção geoelétrico.Os métodos mais conhecidos são método de Wenner, método de Lee e método deSchlumberger - Palmer. Em nossos estudos optaremos pelo método de Wenner.

MÉTODO DE WENNER Este método utiliza um Megger (Terrômetro / Telurímetro) para medir os valores deresistência necessários para o cálculo de resistividade do solo. Este instrumentopossuí dois terminais de corrente e dois de potencial. As medidas são realizadasfazendo circular, por meio da fonte interna do aparelho, uma corrente elétrica entreas duas hastes externas que estão conectadas aos terminais de corrente C1 e C2. Oaparelho indica na leitura o valor da resistência elétrica medido entre as hastesligadas aos terminais de potencial P1 e P2. A resistência medida pode ser expressapela formula abaixo: R = VP1/P2 = r [ 1 + . 2 . - . 2 . ] I 4p a Ö a2 + (2p)2 Ö (2a)2 + (2p)2

R = Leitura da resistência em W no Megger para uma profundidade “a” a = Espaçamento das hastes cravadas no solo p = Profundidade das hastes cravadas no solo

Este método considera que praticamente 58% da distribuição de corrente que passaentre as hastes externas ocorre a uma profundidade igual ao espaçamento entre ashastes. A corrente na verdade atinge uma profundidade maior, porém neste caso suadispersão é muito grande, e seu efeito pode ser desconsiderado. Portanto podemosconsiderar para este método que o valor da resistência medida é relativa aprofundidade “a” do solo.


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Para se efetuar uma medição correta deve-se tomar alguns cuidados, conformeabaixo: - as hastes deverão ter aproximadamente 50 cm de comprimento com diâmetroentre 10 e 15 mm; - durante a medição as hastes deverão estar sempre alinhadas, igualmenteespaçadas , cravadas a uma mesma profundidade (20 a 30 cm) e bem limpas, isentas de oxidos ougorduras; - o aparelho e a carga da bateria deverão estar em boas condições, e durante amedição ele deverá estar posicionado simetricamente entre as hastes; - as condições do solo deverão ser levadas em consideração (seco ou úmido); - por questões de segurança não devem ser realizadas medições em dias que houverriscos de descargas atmosféricas, não deixar que pessoas estranhas ou animais seaproximem do local e utilizar calçados e luvas de isolação para executar as medições. Para uma medição correta da resistividade do solo, devemos em cada direçãoconsiderada efetuar diversas medições, sendo recomendado para “a” os seguintesespaçamentos 1 ; 2 ; 4 ; 6 ; 8 ; 16 e 32, onde teremos a leitura dos diverso valoresde resistência em ohms e poderemos então calcular os valores de resistividade emohms metro de acordo com a formula abaixo: r = . 4 p a R . [ W . m ] 1 + . 2a . - . 2a . Ö a2 + (2p )2 Ö (2a)2 + (2p)2

Para a > 20p esta fórmula pode ser reduzida a : r = 2 p a R [ W . m ] FORMULA DE PALMER O número de direções em que as medidas deverão ser realizadas depende daimportância e das dimensões do sistema de aterramento, e das variações dos valoresencontrados durante as medições. Para cada ponto do aterramento, ou posição doaparelho, recomenda-se efetuar medidas em três direções, com ângulo de 60° entresi. No caso de subestações deve-se efetuar medidas em vários pontos, cobrindo todaa área da malha pretendida. Após a medição, devemos juntar os dados em uma tabela, e avaliar quais deverãoser considerados e quais deverão ser desprezados. Essa avaliação deverá serrealizada da seguinte forma: a) Calcular a média aritmética dos valores de resistividade calculados para cadaespaçamento; b) Com base nessas médias calcular a diferença entre cada valor de resistividade e amédia de seu espaçamento; c) Desprezar todos os valores de resistividade que tenham desvio maior que 50% emrelação a média Todos os valores com desvio abaixo de 50% serão aceitos; d) Caso seja observado um elevado número de desvios acima de 50%, recomenda-serealizar novas medidas no local. Se a ocorrência dos desvios persistir, deveremos considerar estaregião independente para efeito de modelagem; e) Com os dados já analisados, calcula-se novamente a média aritmética dasresistividades remanescentes; f) Com as resistividades médias para cada espaçamento, tem-se os valoresdefinitivos para traçar a curva r x a , necessária ao procedimento das aplicações dos métodos deestratificação do solo.

ESTRATIFICAÇÃO DO SOLO Os solos em função de sua própria formação geológica, podem ser representadosatravés de um modelo formado por camadas horizontais estratificadas.


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A resistividade de cada camada, bem como a sua profundidade podem serdeterminadas através de diversos métodos de estratificação do solo, conformeabaixo: - Método de Estratificação de Duas Camadas - utilizando curvas - utilizando técnicas de otimização - utilizando simplificações - Método de Pirson para estratificação do solo em várias camadas - Método Gráfico de Yokogawa para estratificação do solo em várias camadasPara efeito de nossos estudos aplicaremos o Método de estratificação do solo emduas camadas, utilizando curvas. Os demais métodos seguem mais ou menos amesma linha de raciocínio, e poderão ser utilizados conforme as necessidades ouconveniências.

MÉTODO DE DUAS CAMADA UTILIZANDO CURVAS

Com base no processo de medição de resistividade do solo estabelecido pelo Métodode Wenner, podemos chegar a expressão que relaciona a resistividade do solo parauma distância “a” entre os eletrodos com a resistividade do solo da primeiracamada, conforme abaixo : ¥r (a) = 1 + 4 å [ . Kn . - . Kn . ] r1

n=1 Ö 1 + (2n h )2 Ö 4 + (2n h )2

a a r (a) = Resistividade para eletrodos a uma distância “a” r1 = Resistividade da primeira camada h = Profundidade da primeira camada a = Distância entre os eletrodos K = Coeficiente de reflexão definido por : r2 - 1 K = . r2 - r1 = . r1 . r2 + r1 r2 + 1 r1

r2 = Resistividade da segunda camada Analisando a expressão verificamos que a variação do coeficiente de reflexão é limitado entre -1 e +1.

Tendo em vista a pequena variação de valores do coeficiente de reflexão K, épossível traçar uma família de curvas teóricas em função de valores das relações r(a)/r1 e h/a. Apresentamos as curvas traçadas para K variando na faixa negativa,isto é, curva r (a) x a descendente e para K variando na faixa positiva, com curva r(a) x a ascendente.

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Com base nas curvas e equações, podemos agora estabelecer um procedimento decalculo para definir a estratificação do solo em duas camadas : 1) Traçar a curva r (a) x a com os dados obtidos pelo método de Wenner; 2) Prolongar a curva traçada até cortar o eixo das ordenadas. Neste ponto é lidodiretamente o valor de r1 , resistividade da primeira camada. Para facilitar esteprocesso, devemos efetuar várias medidas pelo Método de Wenner para pequenosespaçamentos; 3) Um valor de espaçamento “a1” é escolhido arbitrariamente, e levado na curvapara obter-se o correspondente valor de r (a1). 4) Pelas características da curva traçada conforme item “1”, determinamos o sinal deK. Para curva descendente K será negativo, e calcularemos r (a1)/r1 . Para curvaascendente K será positivo, e calcularemos r1 /r (a1). 5) Com os valores calculados acima, entramos nas curvas teóricas correspondentes eencontramos vários valores de h/a para os diversos valores de K. Estes váriosvalores encontrados são colocados em uma tabela específica. 6) Na seqüência multiplica-se cada valor de h/a encontrado pelo valor de “a1”,resultando vários valores de “h” para cada K correspondente. 7) Traçamos agora uma curva K x h dos vários valores obtidos. 8) Um segundo valor de espaçamento a2 diferente de a1 é novamente escolhido, etodo o processo é repetido, resultando numa nova curva K x h. 9) Traçamos a nova curva no mesmo gráfico da curva anterior. 10) A intersecção das duas curvas K x h num dado ponto resultará nos valores reaisde K e h, definindo desta forma a estratificação.

SISTEMAS DE ATERRAMENTO

UMA HASTE VERTICAL Uma haste cravada verticalmente em um solo homogêneo, tem uma resistênciaelétrica que pode ser determinada pela fórmula: R1 haste = ra . ln ( 4 L ) [W] 2pL d Onde: ra = resistividade aparente do solo [W.m] L = comprimento da haste [m] d = diâmetro do círculo equivalente à área da secção transversal da haste [m] Nos sistemas de aterramento raramente uma única haste é o suficiente parachegarmos ao valor da resistência desejada. Analisando a fórmula acima, verificamosque as alternativas para melhorarmos este valor de resistência são aumentarmos odiâmetro da haste (limitações técnicas, e baixa relação custo-benefício), colocarmosmais hastes em paralelo, aumentarmos o comprimento da haste, reduzirmos aresistividade aparente do solo utilizando tratamento químico. Além da resistência de terra dada pela fórmula acima, temos outros elementos quecompõe o valor final da resistência do sistema de aterramento, conforme abaixo : - resistência da conexão do cabo de aterramento ao equipamento a ser aterrado; - impedância do cabo entre o equipamento e o sistema de aterramento; - resistência da conexão do cabo ao sistema de aterramento; - resistência do material que forma o sistema de aterramento; - resistência de contato desse material com a terra; - resistência de terra do sistema de aterramento. Dos itens relacionados acima a resistência de terra possuí o maior valor, assumindomaior importância, já que depende de fatores como a resistividade do solo, condiçõesclimáticas etc. dos quais não temos muitas vezes o controle. Os demais itensatingem valores menores e são mais fáceis de serem controlados.

INSTALAÇÕES DE HASTES EM PARALELO A instalação de hastes em paralelo, reduzem significativamente o valor final daresistência de aterramento. Esta redução não segue simplesmente a lei deresistências em paralelo, em função da interferência que ocorre entre as zonasequipotenciais de cada haste, conforme abaixo.


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Esta zona de interferência entre as linhas equipotenciais causa uma área de bloqueiodo fluxo da corrente de cada haste, resultando uma maior resistência de terraindividual. Como a área de dispersão efetiva da corrente de cada haste torna-semenor, a resistência de cada haste dentro do conjunto aumenta. Isto faz com que aoinstalarmos duas hastes em paralelo o resultado final seja um valor de resistênciamenor que aquele para uma haste, porém maior que o valor da resistência para umahaste dividido por dois.

Verifica-se que se aumentarmos o espaçamento entre as hastes essa interferênciadiminui, porém um aumento muito grande torna-se economicamente inviável.Utilizamos normalmente um espaçamento em torno do comprimento da haste, écomum utilizar-se esse espaçamento em torno dos três metros. Para chegarmos ao valor da resistência de terra de um sistema com várias hastes,necessitamos a partir do valor calculado para uma haste, chegar ao valor daresistência equivalente para o conjunto das hastes, que é dado pela formula aseguir:

n Rh = Rhh + å Rhm (m diferente de h) m=1 Rh = Resistência apresentada pela haste “h” inserida no conjunto considerando as interferências das outras hastes; n = Número de hastes paralelas Rhh = Resistência individual de cada haste sem a presença de outras hastes(formula anterior) Rhm = Acréscimo de resistência na haste “h” devido à interferência mútua da haste“m” Rhm = ra . ln [ (bhm + L)2 - ehm

2 ] 4pL ehm

2 - (bhm - L)2

ehm = Espaçamento entre a haste “h” e a haste “m” em metros L = Comprimento da haste em metros bhm = Ö L2 + ehm

2

Nos sistemas normais de aterramento empregam-se hastes iguais, o que facilita ocálculo da resistência equivalente. Fazendo o cálculo para todas as hastes do conjunto (Rh) tem-se os valores daresistência de cada haste: R1 = R11 + R12 + R13 + ... + R1n

R2 = R12 + R22 + R23 + ... + R2n

: : : : Rn = Rn1 + Rn2 + Rn3 + ... + Rnn





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Determinada a resistência individual de cada haste dentro do conjunto, jáconsiderados os acréscimos ocasionados pelas interferências, a resistênciaequivalente das hastes interligadas será a resultante do paralelismo destas. 1 = 1 + 1 + ... + 1 . Req R1 R2 Rn

Tendo o valor da resistência equivalente do conjunto podemos calcular o índice deaproveitamento ou índice de redução (K), que é definido com a relação entre essaresistência (Req) e a resistência individual de cada haste sem a presença de outrashastes. K = . Req. R1 haste

Essa expressão indica que a resistência equivalente do conjunto de hastes emparalelo é K vezes o valor da resistência, caso o sistema fosse montado com apenasuma haste isolada.Para facilitar os processos de calculo os valores de K são tabelados, ou obtidos decurvas.

INSTALAÇÃO DE HASTES PROFUNDAS Neste tipo de montagem, procura-se diminuir o valor da resistência de terra, com oaumento do comprimento L da haste. O aumento do comprimento da haste faz comque na instalação do sistema apareçam outros fatores que ajudam a melhorar aindamais a qualidade do aterramento. Estes fatores são : - Aumento do comprimento da haste; - Menor resistividade do solo nas camadas mais profundas; - Condição de água presente e estável ao longo do tempo; - Condição de temperatura constante e estável ao longo do tempo; - Produção de gradientes de potencial maiores no fundo do solo, tornado ospotenciais de passo na superfície praticamente desprezíveis. A execução deste sistema pode ser feita de duas maneiras: - BATE ESTACA - onde as hastes são emendáveis, possuindo rosca nos extremos, esão cravados uma a uma no solo por bate estacas. Dependendo do terreno épossível, por este processo, chegar a 18 metros de profundidade. - MOTO PERFURATRIZ - neste caso é cavado um buraco, onde é introduzido umaúnica haste soldada a um fio longo que a interliga com o sistema a ser aterrado.Recomenda-se também introduzir no buraco, juntamente com a haste limalha decobre. Esta limalha ao penetrar no solo, facilita a dispersão da corrente, obtendouma menor resistência elétrica do sistema. Por este processo consegue-se,dependendo das características do solo, chegar até 60 metros de profundidade.

TRATAMENTO QUÍMICO DO SOLO O tratamento do solo com algum tipo de produto químico, tem a finalidade dediminuir a resistência de aterramento de uma malha, com a alteração daresistividade do solo. Este tipo de procedimento não deve ser realizado de maneiraindiscriminada, mas deve somente ser aplicado em sistemas onde não se atingiu ovalor da resistência desejada, e não é possível alterar o seu local de instalação ealteração das características da malha de terra através do aumento do número decabos, hastes etc. não é possível mais ser feito, é inviável economicamente ou nãoatinge resultados satisfatórios. O produto a ser utilizado neste tipo de tratamento deve atender a algumasrecomendações importantes, como a de não causar danos à natureza, não ser tóxico,além de ser quimicamente estável, possuir baixa resistividade elétrica, não causarcorrosão nos elementos do aterramento, não ser consumido com a chuva, porém tera capacidade de reter umidade. Apresentamos dois produtos que podem ser utilizados para este tipo de tratamento: - EARTHRON - que é um produto líquido de lignosulfato (principal componente dapolpa da madeira) mais um agente geleificador e sais inorgânicos. Tem comoprincipais características não ser solúvel em água, não ser corrosivo, serquimicamente estável, reter umidade, ter longo período de atuação no solo, e ser defácil aplicação. - GEL - é uma mistura de diversos sais, que em presença de água formam o agenteativo do tratamento. Este é um produto quimicamente estável, não é solúvel emágua, é higroscópico, é não corrosivo, possuí longo período de atuação no solo, e nãoé atacado pelos ácidos contidos no solo. A relação entre a resistência do solo medida antes do tratamento químico e o valorobtido após este tratamento é chamada de coeficiente de redução. Este valor podeser previsto para o Gel, considerando a faixa provável, determinada pelo gráfico aseguir. Kt = Rcom tratamento

Rsem tratamento


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A resistência de terra varia com o tempo, influenciada pelas características climáticase do solo da região. Este tipo de tratamento químico tem uma vida útil determinada,devendo portanto ser realizado um acompanhamento freqüente da variação destaresistência, e ser realizado novo tratamento tão logo se constate esta necessidade(vida útil conforme o produto varia de 2 a 5 anos). Tendo em vista que a função principal do tratamento químico é reter a água paradiminuir a resistência da terra, épocas de secas podem alterar significativamente aatuação do tratamento. Nestas épocas recomenda-se molhar a terra que contém amalha. Em terrenos extremamente secos, pode-se concretar o aterramento. O concreto tema propriedade de manter a umidade, e sua resistividade está entre 30 e 90 Wm.

RESISTIVIDADE APARENTE A resistência final de uma malha de terra depende da geometria desta malha e daresistividade do solo vista pela mesma em função de sua integração com o este solo,considerando a profundidade atingida pelo escoamento das correntes elétricas. Secolocarmos um sistema de aterramento com a mesma geometria em solos comcamadas diferentes, teremos valores de resistência de terra distintos. A passagem da corrente elétrica do sistema de aterramento para o solo depende dacomposição do solo com suas diversas camadas, da geometria do sistema deaterramento e do tamanho deste sistema. Para podermos calcular a resistividade do solo considerando a sua integração com amalha, necessitamos definir resistividade aparente. Resistividade aparente é o valor de resistividade considerando como se o solo fossehomogêneo, e que produz como resultado um valor de resistência de terra igual aodo sistema de aterramento real com várias camadas. A resistividade aparente de uma haste cravada verticalmente em um solo com váriascamadas é dada pela fórmula conhecida como fórmula de Hummel.

FÓRMULA DE HUMMEL

ra = L1 + L2 L1 + L2 r1 r2 Vemos portanto que o calculo da resistividade aparente de um sistema deaterramento é efetuado considerando o nível de penetração da corrente deescoamento num solo de duas camadas. Logo, caso tenhamos um solo com muitascamadas, este deve ser reduzido pelo método apropriado a um solo de duascamadas. A resistividade aparente é calculada como o produto do fator N pela resistividade daprimeira camada para solos de duas camadas ou pela resistividade equivalente parasolo de varias camadas. Este fator N é tirado da curva desenvolvida por Endrenyi,onde (a) coeficiente de penetração é o eixo das abcissas e (b) coeficiente dedivergência é a curva correspondente. a = . r . b = rn+1 (2)

deq (1) req (1)

deq (1) = espessura da primeira camada equivalente rn+1 (2) = resistividade da última camada req (1) = resistividade da primeira camada equivalente r = raio do anel equivalente do sistema de aterramento considerado Para hastes alinhadas e igualmente espaçadas r = (n - 1) . e 2 Outras configurações r = A


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D n = número de hastes cravadas verticalmente no solo e = espaçamento entre as hastes A= área abrangida no aterramento D = maior dimensão do aterramento. (em uma malha retangular a maior dimensão éa diagonal) A partir dos valores de (a) e (b ) definidos acima, podemos encontrar no gráfico deEndrenyi o valor de N. N = ra ra = N. req

req

DIMENSIONAMENTO COMPLETO DE UMA MALHA DE ATERRAMENTO O dimensionamento correto de uma malha de aterramento deve atenderprincipalmente os seguintes requisitos: - fazer com que os potenciais que surjam na superfície quando da ocorrência domáximo defeito à terra, sejam inferiores aos máximos potenciais de passo etoque que uma pessoa pode suportar sem a ocorrência de fibrilação ventricular: - o condutor da malha deverá suportar os esforços mecânicos e térmicos a queestarão sujeitos ao longo de sua vida, em função das altas correntes de defeito quecircularão por esta malha; - a resistência de terra da malha deverá ser compatível com o sistema de proteçãopermitindo que o relé de neutro atue com segurança em caso de defeitos paraa terra; O processo de calculo da malha é basicamente um processo iterativo, partindo-separa efeito de calculo de uma malha inicial, e verificando se os potenciais nasuperfície estão dentro dos limites de segurança. Caso isto de confirme parte-se parao detalhamento da malha, ou caso contrario, modifica-se o projeto inicial até seestabelecer as condições exigidas. Antes de iniciarmos o processo de calculo, deveremos ter em mãos uma série dedados e definições conforme abaixo: - Fazer no local onde será executada a malha de aterramento as medições deresistividade do solo pelo método de Wenner, para podermos obterposteriormente a estratificação do solo; - Definir a resistividade superficial do solo. É comum se utilizar pedra brita na superfície sobre a malha de terra, formando uma camada mais isolante, quecontribui para a segurança humana. Nestes casos, utilizamos o valor daresistividade da brita molhada (rs = 3000 W.m), e fazemos as devidascorreções para o restantes dos cálculos onde isto vier a influenciar. Casonão se utilize brita, utiliza-se como resistividade superficial o valor da resistividadeda primeira camada obtida da estratificação; - Obter o valor da corrente máxima de curto circuito entre fase e terra no local do aterramento (Imaxima = 3 I0 ); - Deve-se verificar o percentual correto da corrente de curto cicuito máxima querealmente escoa pela malha. Deve-se observar os diversos caminhos pelos quais acorrente de seqüência zero pode circular. - Tempo de defeito para a máxima corrente de curto cicuito fase terra, equivalenteao tempo de atuação do sistema de proteção; - Definição da área da malha pretendida; - Definição do máximo valor de resistência de terra de modo a ser compatível com asensibilidade do sistema de proteção. A partir destes dados podemos iniciar nosso processo de calculo, seguindo um roteiroconforme abaixo:

ESTRATIFICAÇÃO DO SOLO Com base nas medições realizados no local, montamos um modelo de soloestratificado.

RESISTIVIDADE APARENTE Com base na estratificação do solo, e nas características da malha que estamosdimensionando, determinamos o valor da resistividade aparente do solo, conformemetodologia já estudada.

DIMENSIONAMENTO DO CONDUTOR DA MALHA Este condutor é dimensionado considerando os esforços mecânicos e térmicos queele pode suportar. Quanto ao dimensionamento mecânico, na pratica, utiliza-se no mínimo o condutor35 mm2 , que suporta os esforços mecânicos de movimentação do solo e dos veículosque transportam os equipamentos durante a montagem da subestação. Quanto ao dimensionamento térmico, utiliza-se a fórmula de Onderdonk, válidasomente para cabos de cobre, que considera o calor produzido pela corrente de curtocicuito totalmente restrito ao condutor. I = 226,53 Scobre Ö . 1 . ln ( qm - qa + 1 )


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tdefeito 234 + qa

Scobre = seção do condutor de cobre da malha de terra em mm2

I = corrente de defeito em ampères, através do condutor tdefeito = duração do defeito em segundos qa = temperatura ambiente em °C qm = temperatura máxima em °C que é determinada em função do tipo deconexão utilizada Conexão cavilhada com junta de bronze, conexão tradicional de aperto porpressão = temperatura máxima 250°C Solda convencional feita por eletrodos revestidos, através de maquinas desolda = temperatura máxima 450°C Solda exotérmica cuja conexão é feita pela fusão obtida pela ignição ecombustão dos ingredientes no cadinho = temperatura máxima850°C

Para dimensionamento do cabo da malha, leva-se em consideração que a corrente dedefeito é dividida no ponto de ligação com o cabo de descida, em duas parte iguais,escoando metade para cada lado. Para efeito de dimensionamento considera-se umacréscimo de 10%, isto é, dimensiona-se os cabos para no mínimo 60% da correntemáxima de curto circuito. Para o caso do cabo de ligação considera-se que por ele passa a corrente máxima decurto circuito, e que a conexão é feita de junta cavilhada, sendo portanto atemperatura máxima considerada igual a 250°C. Apresentamos abaixo uma tabela simplificada nos dando a bitola do condutor emfunção do tempo de defeito e do tipo de emenda, para cada unidade da corrente dedefeito.

CAPACIDADE DO CONDUTOR DE COBRE EM (mm2/kA) TEMPO DE DEFEITO (SEG) 0,5 1 4 30 SOLDA EXOTÉRMICA 2,44 3,45 6,84 18,74SOLDA CONVENCIONAL 3,20 4,51 9,07 24,83JUNTA CAVILHADA 4,05 5,78 11,50 31,52

POTENCIAIS MÁXIMOS A SEREM VERIFICADOS A malha de aterramento só poderá ser aceita se na superfície do solo sobre a malha,quando da ocorrência do maior defeito fase terra, os potenciais de toque e de passoforem menores que os máximos permitidos. Estes máximos permitidos são calculadospelas formulas abaixo, e são tais que ao produzirem correntes no ser humanos, estascorrentes não produzam fibrilação ventricular do coração. O potencial de toque máximo é dado pela expressão abaixo: Vtoque máximo = (1000 + 1,5 rs) 0,116 (Volts) ÖtO potencial de passo máximo é dado pela expressão : Vpasso máximo = (1000 + 6 rs) 0,116 Ött = tempo de duração do choque (s) rs = resistividade superficial Caso a superfície sobre a malha seja revestida de brita, os valores acima deverão secorrigidos segundo as formulas abaixo: ¥ Cs = . 1 . [ 1 + 2 å . Kn . ] 0,96 n=1 Ö 1 + (2n hs . )2

0,08hs = espessura da brita (m) K = ra - rs ra +rs ra = resistividade aparente da malha sem considerar a brita rs = rbrita = resistividade da brita = 3000 Wm Assim as expressões corrigidas ficarão da seguinte forma :


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Vtoque máximo = (1000 + 1,5 Cs . rs) 0,116 Öt Vpasso máximo = (1000 + 6 Cs . rs) 0,116 Öt MALHA INICIAL O processo de dimensionamento da malha é um processo iterativo, onde partimos deum projeto inicial, com dimensões da malha, espaçamentos e colocação de hastes deterra pré definidas. Com isto, calculamos os potenciais que surgem na superfície damalha, bem como a resistência de aterramento resultante, comparamos com osvalores ideais, fazemos os ajustes necessários. Um espaçamento típico adotado estáentre 5 e 10% do comprimento total de cada lado da malha.

Iremos considerar sempre em nossas formulas que a malha é formada porquadrados, isto é, ea » eb.

A partir das dimensões da malha determinamos os números de condutores paralelos ao longo dos lados da malha : Na = a . + 1 Nb = b . + 1 ea eb

Escolhe-se o número inteiro, adequado ao resultado do cálculo acima. O comprimento total dos condutores que formam a malha é dado pela expressão : Lcabo = a Nb + b Na

Caso se opte por introduzir hastes de terra na malha, deve-se acrescentar seuscomprimentos na determinação do comprimento total de condutores na malha : Ltotal = Lcabo + Lhastes

RESISTÊNCIA DE ATERRAMENTO DA MALHA A resistência de aterramento da malha pode ser calculada aproximadamente pelafórmula de Sverak, conforme abaixo : Rmalha = ra [ . 1 . + . 1 . ( 1 + . 1 . ) ] Ltotal Ö 20 Amalha 1 + h Ö. 20 . Amalha

Amalha = a.b = área ocupada pela malha em m2

h = profundidade da malha em metros, deve variar entre 0,25 e 2,5mLtotal = comprimento total dos cabos e hastes que formam a malha em metros. O valor de resistência obtido com a fórmula deverá ser menor do que a máximaresistência limite da sensibilidade do relé de neutro.

POTENCIAL DA MALHA O potencial da malha é definido como o potencial de toque máximo, encontradodentro de uma submalha da malha de terra, quando do máximo defeito fase-terra.Numa malha de terra, a corrente de defeito escoa preferencialmente pelas bordas damalha.Isto se dá, devido à interação entre os condutores no interior da malha que forçam oescoamento da corrente pelas bordas da malha. Assim, o potencial de malha máximose encontra nos cantos da malha e pode ser calculado pela expressão: Vmalha = ra Km Ki Imalha

Ltotal

Km é o coeficiente de malha que considera a influência da profundidade da malha,diâmetro do condutor e o espaçamento entre os condutores. Km = .1. { ln [ . e2 . + ( e + 2h )2 - .h.] + Kii ln . 8 . } 2p 16hd 8ed 4d Kh p (2N - 1)h = profundidade da malha [m]e = espaçamento entre condutores paralelos ao longo do lado da malha [m]d = diâmetro do condutor da malha [m]N = Ö NaNb = a malha retangular é transformada numa malha quadrada com Ncondutores paralelos em cada lado.Kii = 1 = para malha com hastes cravadas ao longo do perímetro ou nos cantos damalha ou ambos.Kii = . 1 . para malha sem hastes ou com poucas não localizadas nos cantos ouperiferia (2N)2/N

Kh = correção de profundidade Kh = Ö 1 + h ho = 1metro hoOnde Ki é definido como o coeficiente de irregularidade, que corresponde ao efeitosda não uniformidade de distribuição da corrente pela malha Ki = 0,656 + 0,172 N ra = resistividade aparente vista pela malha


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Imalha = parcela da corrente máxima de falta que realmente escoa da malha para aterra.Ltotal = comprimento total dos condutores da malha. No caso de malhas onde são colocadas hastes nos cantos e/ou na periferia, ascorrentes têm maior dificuldade de escoar mais profundamente no solo, devendo-sefazer uma correção no comprimento total da malha, considerando-se 15% a mais nocomprimento das hastes.

POTENCIAL DE PASSO DA MALHA É o maior potencial de passo que surge na superfície da malha, quando do máximodefeito fase-terra. O potencial máximo ocorre na periferia da malha, e é calculadopor : VpsM = ra Kp Ki Imalha

Ltotal

Kp = coeficiente que introduz no cálculo a maior diferença de potencial entre dois pontos distanciados de 1m. Este coeficiente relaciona todos osparâmetros da malha que induzem tensões na superfície da terra. Kp = 1 [ .1. + . 1 . + 1 ( 1 - 0,5N - 2 ) ] p 2h e + h eN = maior valor entre Na e Nb , isto nos dará o maior valor de Kpe = menor valorTambém neste caso se tivermos hastes instaladas na periferia e nos cantos,deveremos considerar o comprimento total somando ao comprimento dos cabos ocomprimento das hastes com 15% de acréscimo.Este valor deverá ser comparado à tensão de passo máxima que o organismohumano deve suportar. LIMITAÇÕES DAS EQUAÇÕES DE Vmalha e VpsM

As expressões acima devem obedecer a algumas limitações quanto a determinaçãode alguns dados, para termos um projeto seguro. N £ 25 (número condutores paralelo de cada lado) d < O,25 h (diâmetro do condutor) 0,25 m £ h £ 2,5m (profundidade) e ³ 2,5m (espaçamento)

POTENCIAL DE TOQUE MÁXIMO DA MALHA Todos os equipamentos terão suas partes metálicas ligadas à malha de terra dasubestação. Por questões de segurança o potencial gerado pela maior corrente decurto circuito monofásica à terra, ao limite de tensão de toque para não causar fibrilação. Para satisfazer aos requisitos de segurança devemos ter : Vtoque máximo da malha = Rmalha . Imalha £ Vtoque máximo

Caso esta consideração não venha a ser atendida, deveremos refazer os cálculos depotencial de passo e de toque, revendo os valores arbitrados para a malha.Em função do grau de risco, da localização e das características da malha, estadeverá ser cercada por muro ou cerca metálica. Caso venha a ser optado por cercametálica, deverá ser calculado o potencial de toque desta cerca, e verificado oslimites de segurança.

MELHORIA DA MALHA

Após o seu dimensionamento, poderemos usar algumas alternativas para melhorarainda mais a qualidade da malha de terra : - Fazer espaçamentos menores na periferia da malha; - Arredondar os cantos da malha para diminuir os efeitos das pontas; - Rebaixar os cantos; - Colocar hastes na periferia; - Colocar hastes na conexão do cabo de ligação do equipamento com a malha; - Fazer submalhas no ponto de aterramento de bancos de capacitores e chavesde aterramento; se não for possível usar malha de equalização somente neste local. - Colocar um condutor em anel a 1,5m da malha e a 1,5m de profundidade. - Caso a malha estiver em situação muito crítica, ou além do seu limite desegurança, pode-se usa uma malha de equalização, que mantém o mesmo nível depotencial na superfície do solo. É uma verdadeira blindagem elétrica.

MEDIÇÃO DE RESISTÊNCIA DE TERRA Esta medição é relativamente simples, e tem a intenção de obter o valor daresistência de terra de um sistema existente, no momento da medição. Este valorvaria ao longo do ano, e deve-se portanto programar medições periódicas, inclusivenas épocas de chuva e seca, para termos um histórico das variações durante o ano. As correntes de curto circuito fase terra, geram componentes de seqüência zero, queem sua maioria retornam ao sistema pela terra. Esta corrente é limitada pelaresistência de aterramento do sistema. No instante do curto circuito a densidade de corrente no solo junto à haste émáxima. Com o afastamento, as linhas de corrente se espraiam diminuindo adensidade de corrente. Após uma determinada distância, o espraiamento das linhasde corrente é máximo, e a densidade de corrente praticamente nula. Portanto, aregião do solo para o afastamento considerado, fica com resistência elétrica praticamente nula.


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Rsolo = rsolo l S = ¥ :. Rsolo = 0 S Concluímos portanto que a resistência de terra da haste em que está sendo feita amedição corresponde somente ao solo onde as linhas de corrente convergem.

MÉTODO DE MEDIÇÃO VOLT- AMPERÍMETRO Este é um método clássico, utilizando-se conforme esquema abaixo, umamperímetro, um voltímetro e uma fonte de corrente da ordem de alguns ampères(gerador portátil, transformador).

A = Sistema de aterramento principal;B = Haste auxiliar para possibilitar o retorno da corrente elétrica I ;p = Haste de potencial, que se desloca desde A até B ;x = Distância da haste “p” em relação ao aterramento principal A. A curva é levantada deslocando-se a haste “p” entre as hastes “A e B”.A correnteque circula pelo circuito é constante, pois a mudança da haste “p” não altera adistribuição de corrente. Para cada posição da haste é lido o valor de tensão novoltímetro e calculado o valor da resistência elétrica . R(x) = V(x) I Deslocando-se a haste “p” em todo o percurso entre A e B , tem-se a curva deresistência de terra em relação ao aterramento principal. Na região do patamar,tem-se o valor de RA , que é o valor da resistência de terra do sistema deaterramento principal. No ponto B, tem-se o valor da resistência de terra acumuladado aterramento principal e da haste auxiliar, isto é, RA + RB . Como o objetivo da medição é obter o valor da resistência de terra do sistema deaterramento, deve-se deslocar a haste “p” até atingir a região do patamar. Nesteponto a resistência de terra RA é dada pela expressão abaixo : RA = Vpatamar

I

MEDIÇÃO USANDO MEGGER (TERRÔMETRO OU TELURÍMETRO)

A medição de aterramento utilizando-se aparelho apropriado é realizada conformeesquema abaixo :


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Os terminais C1 e P1 devem ser conectados. O aparelho injeta no solo, pelo terminal de corrente C1, uma corrente elétrica I. Estacorrente retorna ao aparelho pelo terminal de corrente C2, através da haste auxiliarB. Esta circulação de corrente gera potenciais na superfície do solo. O potencialcorrespondente ao ponto “p” é processado internamente pelo aparelho, que indicaráo valor correspondente da resistência neste ponto. Durante a medição deve-se observar os seguintes procedimentos : - Alinhamento do sistema de aterramento principal com as hastes de potencial eauxiliar; - A distância entre o sistema de aterramento principal e a haste auxiliar deve sersuficientemente grande, para que a haste de potencial atinja a região plana dopatamar; - O aparelho deve ficar o mais próximo possível do sistema de aterramento principal; - As hastes de potencial e auxiliar devem estar bem limpas, principalmente isentasde óxidos e gorduras, para possibilitar um bom contato com o solo; - Calibrar o aparelho, isto é, ajustar o potenciômetro e o multiplicador do MEGGER,até que seja indicado o valor zero; - As hastes usadas devem ser do tipo Copperweld, com 1,2m de comprimento ediâmetro de 16 mm; - Cravar as hastes no mínimo 70 cm do solo; - O cabo de ligação deve ser de cobre com bitola mínima de 2,5mm2; - As medições devem ser feitas em dias em que o solo esteja seco, para se obter omaior valor de resistência de terra deste aterramento; - Se não for o caso acima, devem-se anotar as condições do solo; - Se houver oscilações da leitura, durante a medição, significa existência deinterferência. Deve-se, deslocar as hastes de potencial e auxiliar para outra direção,de modo a contornar o problema; - Verificar o estado do aparelho; - Verificar a carga da bateria. Para efetuarmos a medição da resistência de terra, levando em consideração asegurança humana, deve-se observar os seguintes itens : - Não devem ser feitas medições sob condições atmosféricas adversas, tendo-se em vista a possibilidade de ocorrência de raios; - Não tocar na haste e na fiação; - Não deixar que animais ou pessoas estranhas se aproximem do local; - Utilizar calçados e luvas de isolação para executar as medições; - O terra a ser medido deve estar desconectado do sistema elétrico.

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