UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN

HIGOR LEONARDO DOMINGUES

ANLISE COMPARATIVA ENTRE MTODOS DE VERIFICAO DAS CONEXES DE EQUIPAMENTOS MALHA DE ATERRAMENTO EM SUBESTAES ENERGIZADAS

CURITIBA 2011

HIGOR LEONARDO DOMINGUES

ANLISE COMPARATIVA ENTRE MTODOS DE VERIFICAO DAS CONEXES DE EQUIPAMENTOS MALHA DE ATERRAMENTO EM SUBESTAES ENERGIZADASTrabalho de Concluso do Curso de Graduao em Engenharia Eltrica com nfase em Eletrotcnica na rea de Engenharia e Cincia dos Materiais, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paran. Orientador: Prof. Dr. Edemir Luiz Kowalski Co-orientador: Eng. M.Sc. Henry Leonardo Lpez Salamanca

CURITIBA 2011

AGRADECIMENTOS

A Deus, pelo dom da vida, sabedoria e proteo. Aos meus pais, pelo amor, perseverana e apoio em todos os momentos da minha vida. Ao meus irmos, pelo exemplo de luta, dedicao e inteligncia. minha namorada Larissa, pelo companheirismo, cumplicidade, pacincia e amor. Ao meu orientador, Prof. Dr. Edemir Luiz Kowalski, pelo empenho, orientao e dedicao. Ao meu co-orientador, Eng. M.Sc. Henry Leonardo Lpez Salamanca, pelas sugestes, dedicao e ajuda na realizao e interpretao dos ensaios. Ao Eng. M.Sc. Diogo Biasuz Dahlke, pelo apoio na realizao dos ensaios e orientaes no perodo de estudos. Eng. Rosane Maris Ribas, pela amizade, apoio, pacincia e por me ajudar a ser um profissional com mais qualidade. Ao LACTEC, pelo apoio na realizao dos ensaios e seus colaboradores. COPEL, por permitir que eu realizasse este trabalho no perodo de estgio. Universidade Federal do Paran por oferecer um ensino pblico e de qualidade.

III

SUMRIO

SUMRIO ................................................................................................................. IV LISTA DE FIGURAS ................................................................................................. VI LISTA DE TABELAS .............................................................................................. VIII LISTA DE SIGLAS .................................................................................................... IX RESUMO................................................................................................................... XI ABSTRACT.............................................................................................................. XII 1 2 3 INTRODUO ...................................................................................................... 1 OBJETIVO ............................................................................................................ 4 REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................ 5

3.1 ATERRAMENTO ELTRICO.............................................................................. 5 3.1.1 Aplicaes associadas ao aterramento eltrico ................................................ 6 3.2 IMPEDNCIA DE ATERRAMENTO ................................................................... 7 3.2.1 Medio da resistncia de aterramento ............................................................ 7 3.3 CONDIES DE RISCO .................................................................................. 10 3.3.1 Choque ........................................................................................................... 11 3.3.2 Potencial de toque .......................................................................................... 11 3.3.2.1 Potencial de toque mximo .......................................................................... 12 3.3.3 Potencial de passo ......................................................................................... 12 3.3.3.1 Potencial de passo mximo .......................................................................... 13 3.3.4 Medio de Potencial de Toque e Passo........................................................ 13 3.3.5 Potencial de transferncia .............................................................................. 15 3.4 RESISTIVIDADE DO SOLO ............................................................................. 15 3.4.1 Variao da resistividade do solo ................................................................... 17 3.4.2 Medio da resistividade do solo .................................................................... 18 3.5 A INFLUNCIA DA ESTRATIFICAO ........................................................... 19 3.6 CURVAS EQUIPOTENCIAIS............................................................................ 20 3.7 EFEITO DA ALTA FREQUNCIA NAS MEDIES ........................................ 21 3.7.1 Anlise das frequncias .................................................................................. 23 3.7.2 Compensao da componente reativa ........................................................... 25 3.8 VERIFICAO DAS CONEXES MALHA DE ATERRAMENTO ................. 25 3.8.1 Avaliao das conexes dos equipamentos com a malha de terra de uma Subestao Mtodo do alicate terrmetro [6] .............................................. 26 IV

3.8.2 Verificao de continuidade entre ligaes de equipamentos malha de aterramento Mtodo de pontos equipotenciais ............................................ 27 4 PARTE EXPERIMENTAL ................................................................................... 29

4.1 MATERIAIS E MTODOS ................................................................................ 29 4.1.1 Materiais e equipamentos ............................................................................... 29 4.1.2 Metodologia .................................................................................................... 30 5 RESULTADOS E DISCUSSO .......................................................................... 31

5.1 ENSAIOS NA SE ARAPOTI.............................................................................. 31 5.2 ENSAIOS NA SE XISTO .................................................................................. 37 5.3 ENSAIOS NA SE FAZENDA RIO GRANDE ..................................................... 46 6 7 CONCLUSES ................................................................................................... 55 RECOMENDAES PARA TRABALHOS FUTUROS...................................... 56

REFERNCIAS ......................................................................................................... 57

V

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Constituio de um aterramento [7]. ............................................................ 5 Figura 2: Componentes de corrente no solo [7]. ......................................................... 7 Figura 3: Exemplo de medio de resistncia de aterramento (mtodo de queda de potencial) [11]. ............................................................................................................. 8 Figura 4: Curva caracterstica terica da resistncia de aterramento de um eletrodo pontual [11].................................................................................................................. 9 Figura 5: Regio de interferncia entre duas hastes verticais (vista superior) [12]. .... 9 Figura 6: Regio com interferncia entre duas hastes verticais (vista lateral) [12].... 10 Figura 7: Regio sem interferncia entre os eletrodos (vista superior) [12]. ............. 10 Figura 8: Regio sem interferncia entre as hastes (vista lateral) [12]...................... 10 Figura 9: Potencial de Toque. esquerda a curva de distribuio de potencial. direita o circuito eltrico equivalente [13]. ................................................................. 11 Figura 10: Potencial de Passo. esquerda a curva de distribuio de potencial. direita o circuito eltrico equivalente [13]. ................................................................. 13 Figura 11: Medio do potencial de passo [11]. ........................................................ 14 Figura 12: Medio do potencial de toque [11].......................................................... 14 Figura 13: Variaes tpicas de resistividade () do solo [16]. .................................. 17 Figura 14: Penetrao da corrente eltrica na profundidade a [10]. ....................... 18 Figura 15: Disposio dos eletrodos para o Mtodo de Wenner [16]. ....................... 18 Figura 16: Estratificao do solo em duas camadas [10]. ......................................... 20 Figura 17: Solo estratificado em vrias camadas [13]. .............................................. 20 Figura 18: Curvas equipotenciais para Hastes Verticais [12]. ................................... 21 Figura 19: Curvas equipotenciais para cabos enterrados horizontalmente [12]. ....... 21 Figura 20: Caracterstica tpica de Curvas Equipotenciais em malha de aterramento (linhas tracejadas) [12]. ............................................................................................. 21 Figura 21: Esquema simplificado da medio com alta frequncia [11] .................... 24 Figura 22: Tenso V2 entre a malha de terra e equipamento com conexo aberta (C2) [18]. .................................................................................................................... 26 Figura 23: Ensaio com alicate terrmetro em estruturas metlicas multiaterradas [18]. .................................................................................................................................. 27 Figura 24: Procedimento para verificao das ligaes de equipamentos malha de aterramento [15]. ....................................................................................................... 28 VI

Figura 25: Croqui dos pontos medidos na rea da SE Arapoti.................................. 32 Figura 26: esquerda condutor de aterramento do porto de acesso. direita cantoneiras metlicas de aterramento da malha perimetral. ..................................... 32 Figura 27: esquerda condutor de aterramento das estruturas dos mastros das bandeiras. direita condutor de aterramento do transformador. .............................. 33 Figura 28: Croqui do circuito de corrente nas instalaes da SE Arapoti. ................. 34 Figura 29: Desenho da pontos de aterramento da SE Xisto. .................................... 38 Figura 30: esquerda a caixa de inspeo frente esquerda. direita caixa de inspeo frente direita. .............................................................................................. 39 Figura 31: esquerda ponto 6. direita pra-raio antena VHF................................ 39 Figura 32: Croqui do circuito de corrente nas instalaes da SE Xisto. .................... 40 Figura 33: Desenho dos pontos de aterramento da SE Fazenda Rio Grande. ......... 47 Figura 34: esquerda ponto 12. direita medio com alicate terrmetro entre os pontos 1 e 4............................................................................................................... 48 Figura 35: esquerda ponto 10. direita carcaa ponto 14..................................... 48 Figura 36: Croqui do circuito de corrente nas instalaes da SE Fazenda Rio Grande. ..................................................................................................................... 49

VII

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Variao da resistividade em funo do tipo do solo [16].......................... 16 Tabela 2: Descrio dos equipamentos utilizados. ................................................... 29 Tabela 3: Verificao de conexes de equipamentos malha de aterramento SE Arapoti. Mtodo de Pontos Equipotenciais. ............................................................... 34 Tabela 4: Verificao de conexes de equipamentos malha de aterramento SE Arapoti. Mtodo do Alicate Terrmetro. ..................................................................... 35 Tabela 5: Verificao de conexes de equipamentos malha de aterramento SE Xisto. Mtodo de Pontos Equipotenciais. .................................................................. 40 Tabela 6: Verificao de conexes de equipamentos malha de aterramento SE Xisto. Mtodo do Alicate Terrmetro. ........................................................................ 42 Tabela 7: Verificao de conexes de equipamentos malha de aterramento SE Fazenda Rio Grande. Mtodo de Pontos Equipotenciais. ......................................... 49 Tabela 8: Verificao de conexes de equipamentos malha de aterramento SE Fazenda Rio Grande. Mtodo do Alicate Terrmetro. ............................................... 51

VIII

LISTA DE SIGLAS

PC SGM SEs SE kV Hz

Personal Computer Smart Ground Multimeter Subestaes Subestao Unidade de potencial (Quilovolts) Unidade de frequncia (Hertz)

LACTEC Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento Kg Rt V I Vtoque Rch Rc Ich IF s t s kg Vpasso ABNT NBR m V* Unidade de resistncia eltrica (Ohm) Unidade de massa (Quilograma) Resistncia de aterramento Tenso eltrica Corrente eltrica Potencial de toque Resistncia do corpo humano Resistncia de contato Corrente de choque pelo corpo humano (corrente limite de Dalziel) Corrente de falta no sistema

R1, R2 e R3 Resistncias eltricas Resistividade superficial do solo Tempo (em segundos) Unidade de tempo (segundos) Unidade de massa (Quilograma) Potencial de passo Associao Brasileira de Normas Tcnicas Denominao de norma da Associao Brasileira de Normas Tcnicas Unidade de distncia (metro) Potencial registrado nos ensaios quando 1 (um) Ampre de corrente injetado na malha de aterramento Imalha C R Corrente eltrica de malha Resistividade do solo Unidade de temperatura (grau Celsius) Resistncia medida. Valor indicado no medidor IX

a b H Zmtua Zprpria a f DMG RMG XL XC C1 e C2 PR AT P&D ANEEL

Distncia entre hastes adjacentes Profundidade de cravao da haste Profundidade das camadas do solo Impedncia mtua entre cabos pra-raios e fase Impedncia prpria da malha Resistividade aparente Frequncia (Hz) Distncia mdia geomtrica Raio mdio geomtrico Reatncia indutiva Reatncia capacitiva Frequncia angular Capacitores Paran Alta Tenso Pesquisa e Desenvolvimento Agncia Nacional de Energia Eltrica

TR1 e TR2 Transformadores Ec Ep VHF Eletrodo de corrente Eletrodo de potencial Antena de comunicao

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RESUMO

Atualmente, as avaliaes de malha de aterramento so realizadas na maioria das vezes no comissionamento da malha original, por estar o sistema desenergizado. No caso de subestaes j energizadas, obrigatrio que o sistema malha de terra e linhas de distribuio e transmisso estejam desenergizados, para que as medies tenham resultado satisfatrio e tambm por motivo de segurana. Concessionrias de energia eltrica necessitam periodicamente de avaliao e manuteno de malhas de aterramento, pois estas envelhecem com o tempo causando corroso ou at mesmo a desconexo de pontos que deveriam estar devidamente aterrados. Somente a verificao do valor da resistncia de aterramento no suficiente para analisar a qualidade e a eficincia de um sistema de aterramento em uma subestao, por isso a necessidade de avaliar tambm o estado dos cabos de malha e dos pontos de conexo dos equipamentos com tcnicas que permitam a verificao, em subestaes energizadas, de pontos da malha onde podem estar sofrendo corroso ou desconexo. Dois mtodos foram aplicados e comparados: verificao de conexes malha de aterramento com alicate terrmetro (mtodo do alicate terrmetro); e verificao dos nveis de equipotencializao da malha e continuidade dos cabos de descida de cada equipamento instalado em uma subestao (mtodo de pontos equipotenciais). A verificao de sistemas de aterramento em instalaes energizadas, utilizando injeo de corrente em alta frequncia, uma tcnica recente, por isso necessria a sua validao para diferentes condies e tipos de instalao. Os resultados obtidos geraro subsdios que permitiro o aprimoramento da tcnica de alta frequncia, cuja vantagem ser efetuar medies em sistemas de aterramento de subestaes e com todos os acoplamentos de aterramento e proteo contra descargas atmosfricas devidamente conectados. Palavras-chave: Aterramentos. Pontos de conexo. Medies. Subestao. Alta frequncia.

XI

ABSTRACT

Currently, evaluations of grounding grid are performed mostly in the commissioning of the original mesh, because the system is powered down. In the case of substations already energized, is obligatory that the earth grid system and distribution and transmission lines are de-energized, so that the measurements have satisfactory results and also for security reasons. Electric utilities need periodic evaluation and maintenance of ground grids, as they age with time, causing corrosion or even disconnection of points that should be properly grounded. Only checking the value of grounding resistance is not sufficient to analyze the quality and efficiency of an earthing system in a substation, so the need to also evaluate the status of the mesh wires and connection points of the equipment with techniques that allow verification in energized substations, where the mesh points may be suffering from corrosion or disconnection. Two methods were applied and compared: the verification of connections to the grounding grid with Clamp, and check the levels of mesh equipotencialization and continuity of descent wires of each equipment installed in a substation. Verification of grounding systems at installations energized, using current injection in high frequency, is a recent technique, so it is necessary to validate it for different conditions and types of installation. The results will generate subsidies that enable the improvement of high-frequency technique, whose advantage will be to make measurements in substation grounding systems and with all the couplings and ground lightning protection properly connected. Key words: Grounding. Connection points. Measurements. Substation. High frequency.

XII

1 INTRODUO

As concessionrias de energia buscam a cada dia aprimorar e desenvolver tcnicas de manuteno preventiva e corretiva em suas linhas de transmisso e distribuio, que permitam a interveno no sistema sem necessidade de desligamento do mesmo. Entre estas tcnicas, pode-se citar a manuteno com redes energizadas de pelo mtodo de de contato ou ao potencial, e inspeo

instrumentalizada

redes

distribuio,

transmisso

subestaes,

acompanhamento on-line de transformadores de potncia, medio de sistemas de aterramento em instalaes energizadas, entre outros. As subestaes dentro do sistema eltrico possuem papel estratgico, pois so responsveis por fazer a ligao entre as linhas de transmisso e as redes de distribuio que levam a energia a grande parte dos consumidores. Entre os vrios elementos que compem uma subestao destaca-se o sistema de aterramento. extremamente importante a existncia de um sistema de aterramento bem projetado em uma subestao, por ser um sistema eltrico de grande porte e de alta potncia. O aterramento deve principalmente possuir baixa resistncia de aterramento e alta capacidade de conduo de corrente, conseguir um valor de resistncia de aterramento invarivel com as condies climticas independente do material utilizado, e principalmente, proporcionar segurana ao pessoal e proteo aos equipamentos mantendo os nveis de potenciais dentro dos limites adequados, ou seja, limites de tenso e corrente que no causem danos aos equipamentos, choque eltrico e tambm fibrilao do corao. Em funo de sua importncia estratgica, com relao aos aspectos operacionais do sistema e com relao segurana, a verificao peridica do sistema de aterramento em subestaes necessria, pois no decorrer do tempo as malhas de terra podem sofrer corroso, desconexo de soldas, ou at mesmo roubo dos cabos de aterramento. O grande problema encontrado a realizao desta verificao com a subestao energizada. Por esta importncia observa-se que algumas empresas j buscaram desenvolver estas tcnicas de medies com a subestao energizada. Entre estas tcnicas pode-se citar: A new method and Instrument for touch and step voltage measurements e A personal computer (PC) based ground impedance measurement instrument instrumento chamado de Smart Ground Multimeter SGM 1

capaz de medir a impedncia de terra de um sistema de aterramento com o sistema energizado, utilizando o mtodo de queda de potencial. [1,2] Medio da resistncia de malhas de terra energizadas em subestaes (SEs) 34,5/13,8 kV e obteno da resistividade de solos de SEs, em laboratrio corrente injetada na malha de terra pelo prprio sistema, medindo a tenso da malha com relao a um eletrodo remoto de potencial, dispensando assim uma fonte de corrente e reduzindo o tempo de execuo da medio. [3] Avaliao de malhas de terra em subestaes energizadas atravs de medies seletivas em frequncia diferente de 60 Hz injeta uma corrente de frequncia prxima de 60 Hz na malha. [4] Prottipo de medio de malha de terra em subestaes energizadas mtodo que emprega fonte de corrente adaptada para frequncias de 270 Hz, 1,47 kHz e 25 kHz. [5] Estas novas tcnicas devem ser melhor avaliadas com o objetivo de valid-las como tcnicas de verificao peridica do sistema de aterramento, identificando possveis processos de corroso ou at mesmo a desconexo de soldas. A verificao de conexes malha de aterramento com alicate terrmetro, dos nveis de equipotencializao da malha e da continuidade dos cabos de descida pode auxiliar neste processo. Para a realizao destas medidas j se encontram disponveis

comercialmente equipamentos, tais como o Megabras TM-25m, que um equipamento desenvolvido pela empresa Megabras e opera numa frequncia de 25 kHz, alicate terrmetro Minipa ET-4300 CLAMP-ON utilizado para verificar as conexes de descida dos equipamentos para a malha de terra e o prottipo desenvolvido pela Fundao Paulista de Tecnologia e Educao, citado no artigo Prottipo de medio de malha de terra em subestaes energizadas [5]. Apesar de j existirem equipamentos para medio da malha de terra, os mtodos de avaliao de sistemas de aterramento em instalaes energizadas ainda no confirmam sua eficincia completa por algumas limitaes, como as interferncias eletromagnticas, o Efeito Skin que o caminho percorrido pela corrente eltrica na superfcie dos condutores com o aumento da frequncia, a necessidade de compensar reativos com capacitores instalados nos equipamentos, 2

o acoplamento mtuo entre os cabos de medio e regies urbanas com difcil acesso para lanamento de cabos. Estas limitaes mostram a importncia de estudos comparativos entre as tcnicas e equipamentos a fim de se possibilitar o aprimoramento das tcnicas. Uma das tcnicas que tem demonstrado potencial de aplicao a verificao de sistemas de aterramento em instalaes energizadas utilizando injeo de corrente em alta frequncia. Por se tratar de tcnica recente, tem-se observado a necessidade de sua validao para diferentes condies e tipos de instalao.

3

2 OBJETIVO

O objetivo principal deste trabalho fazer o comparativo entre dois critrios de verificao das descidas dos equipamentos malha de aterramento de uma subestao, avaliando quais as melhores e piores situaes, pontos com problemas nos cabos de malha e de descida, diferenas de potenciais de todos os pontos de uma subestao, utilizando equipamentos de alta frequncia para medio em instalaes energizadas. Para atingir este objetivo foram realizadas algumas medies de avaliao de sistemas de aterramento em subestaes energizadas com base nos critrios seguintes: Verificao de conexes malha de aterramento. Resultados obtidos com Alicate Terrmetro Minipa ET-4300 (mtodo j desenvolvido pelo Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento (LACTEC) -Tcnicas de Avaliao do Aterramento de Equipamentos em SEs de Distribuio Energizadas [6]; Verificao de continuidade entre ligaes de equipamentos malha de aterramento e verificao de pontos equipotenciais. Comparao de resultados entre equipamento prottipo STM-02 (equipamento

desenvolvido pela Alstech) e equipamento terrmetro da Megabras TM25m.

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3 REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 ATERRAMENTO ELTRICO

Aterramento uma ligao intencional de parte eletricamente condutiva (sistema fsico eltrico, eletrnico ou corpos metlicos) ao solo, atravs de um condutor eltrico [7; 8]. O valor da resistncia de aterramento representa a eficcia desta ligao, ou seja, quanto menor a resistncia, melhor o aterramento [9]. Usualmente os valores adotados pelas concessionrias para resistncia de malha de terra so de 1 para subestaes (SEs) de Transmisso, e de 1 a 5 para SEs de Distribuio. Esses valores de resistncia no so adotados como padro entre as concessionrias e no devem ser um critrio isolado, pois as condies de segurana dependem tambm de outros fatores como resistividade do solo e potncias de curto-circuito no ponto da subestao, ou seja, os potenciais de passo e toque devem ser considerados. Os componentes que envolvem os sistemas de aterramento, vistos na Figura 1, so basicamente constitudos por [7]: Conexes eltricas que ligam um ponto do sistema aos eletrodos; Eletrodos de aterramento (qualquer corpo metlico colocado no solo); Solo que envolve os eletrodos.

Figura 1: Constituio de um aterramento [7].

A principal funo de um aterramento est sempre associada proteo de pessoal ou de equipamentos [9]. Com base nisso possvel destacar os principais objetivos do aterramento em uma subestao [10]: Obter uma resistncia de aterramento a mais baixa possvel, para correntes de falta terra;

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Manter os potenciais produzidos pelas correntes de falta dentro de limites de segurana de modo a no causar fibrilao do corpo humano; Fazer que equipamentos de proteo sejam mais sensibilizados e isolem rapidamente as faltas terra; Prover um caminho para as correntes na terra em condies normais de operao e de falta, sem ultrapassar os limites que afetem a continuidade do servio; Escoar as cargas estticas geradas nas carcaas dos equipamentos. Hastes dispostas verticalmente so mais comumente utilizadas, principalmente quando as camadas mais profundas do solo tm menor resistividade eltrica e tambm pela praticidade e facilidade na cravao [7]. Outras disposies geomtricas dos eletrodos de aterramento tambm so utilizadas, mas a forma depende de suas aplicaes, como por exemplo, eletrodo horizontal, esfera colocada a uma certa profundidade, disco horizontal ao nvel do solo, hastes em paralelo, etc.

3.1.1 Aplicaes associadas ao aterramento eltrico

As principais aplicaes associadas aos aterramentos eltricos so [7,9]: Permitir o escoamento de cargas ou correntes de descarga, por ser a ligao terra um fator de segurana, impedindo assim energizao de partes metlicas expostas ao contato de pessoas e animais e impedindo o carregamento de cargas estticas que possam originar fascas ou irradiao eletromagntica; Limitar os nveis de potenciais ou a distribuio destes a patamares seguros, por meio de prticas adequadas de aterramento; Usar a terra como um condutor de retorno; Aterrar certos pontos de um sistema, para influenciar no desempenho de equipamentos de proteo eletroeletrnicos; e agir na proteo galvnica de partes metlicas enterradas no solo.

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3.2 IMPEDNCIA DE ATERRAMENTO

Um conceito importante para avaliar a natureza dos aterramentos chamado de Impedncia de Aterramento. A impedncia a maneira pela qual o sistema enxerga o aterramento, ou seja, a oposio oferecida pelo solo injeo de corrente eltrica no mesmo, atravs dos eletrodos. Uma conexo terra apresenta resistncia, capacitncia e indutncia. A Figura 2 mostra um circuito eltrico representando um sistema de terra simples.

Figura 2: Componentes de corrente no solo [7].

Em muitas aplicaes, no se refere impedncia de aterramento, mas sua resistncia. Isto se deve ao fato de que, nas condies dessas aplicaes, os efeitos reativos so muito reduzidos. Essas condies so usuais para fenmenos lentos, cujas frequncias representativas tm valor reduzido. A configurao resultante para o circuito equivalente se aproxima de um conjunto de condutncias colocadas em paralelo. Esse o caso de ocorrncias prximas s condies de regime em sistemas de potncia, como curtos-circuitos. O valor da resistncia de aterramento pode ser quantificado pela relao entre a tenso aplicada a um aterramento e a corrente resultante, como mostrado na Equao 1 (neste caso, entende-se por tenso o potencial adquirido pelo aterramento referido ao infinito) [7].

Rt =

V I

(1)

3.2.1 Medio da resistncia de aterramento

A injeo de corrente no solo faz com que ela se dissipe em vrias direes, conforme a caracterstica da distribuio de resistncia do solo. Para medir a

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resistncia de terra, necessrio dispor sempre, basicamente, de um ponto na terra onde se "injeta" corrente (terra que deseja ser medido) e um ponto onde se "retira" a corrente injetada (terra auxiliar). Assim, pela Lei de Ohm, a corrente injetada circular pela terra e provocar em sua superfcie uma tenso, resultante do produto da resistncia de terra at o ponto a ser medido pela corrente injetada. A medio da resistncia de terra de um eletrodo pode ser feita ento, utilizando-se um ampermetro e um voltmetro ou, diretamente atravs do terrmetro, como mostra a Figura 3.

Figura 3: Exemplo de medio de resistncia de aterramento (mtodo de queda de potencial) [11].

A localizao do eletrodo de tenso com relao ao terra auxiliar muito importante na determinao do valor real da resistncia a ser medida. A resistncia real do aterramento, para solos homogneos, se d quando o eletrodo de potencial, colocado aproximadamente a 62% da distncia entre o centro eltrico da malha e o eletrodo de corrente e alinhado com este, est na regio do patamar. Este eletrodo tem sua localizao gradativamente variada ao longo dessa direo, efetuando-se uma medio para cada posio, de forma a gerar uma curva semelhante a da Figura 4, da qual se obtm o valor da resistncia do aterramento [7,10].

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R: RV:

Resistncia obtida variando a distncia da sonda desde a distncia d = D at d = 0 (o eletrodo a medir) Valor verdadeiro do aterramento

Figura 4: Curva caracterstica terica da resistncia de aterramento de um eletrodo pontual [11].

Para anlise correta da eficincia e segurana do sistema de aterramento, deve-se levantar a curva de resistncia de aterramento pela distncia. Na proximidade do terra a ser medido, o afastamento do eletrodo mvel dever ser pequeno, pois nesta regio que se nota gradiente mximo da resistncia e, logo aps, poder ser aumentado o espaamento, pois a curva tende a se estabilizar. Caso no tenha se estabilizado, isso significa que o espaamento entre os terras (o medido e o auxiliar) no suficiente, e um terra est interferindo no outro (as regies de influncia esto se superpondo), este o principal mtodo de medio de resistncia de aterramento, chamado Mtodo da Queda de Potencial [11]. Neste caso, deve-se distanciar o terra auxiliar at conseguir estabilizao da curva de resistncia, da Figura 5 Figura 8 mostrada a forma como ocorre interferncia entre eletrodos.

Figura 5: Regio de interferncia entre duas hastes verticais (vista superior) [12].

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Figura 6: Regio com interferncia entre duas hastes verticais (vista lateral) [12].

Figura 7: Regio sem interferncia entre os eletrodos (vista superior) [12].

Figura 8: Regio sem interferncia entre as hastes (vista lateral) [12].

3.3 CONDIES DE RISCO

A norma que estabelece as condies mnimas exigveis para garantir a segurana dos empregados que trabalham em instalaes eltricas no Brasil a NR-10. Ela inclui elaborao de projetos, execuo, operao, manuteno, reforma e ampliao, em quaisquer das fases de gerao, transmisso, distribuio e consumo de energia eltrica. Esta norma exige tambm que sejam observadas as normas tcnicas oficiais vigentes e, na falta destas, as normas tcnicas internacionais.

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3.3.1 Choque

A perturbao no organismo causada pela passagem de corrente eltrica chamada de choque eltrico. Os efeitos dessas perturbaes variam e dependem do percurso da corrente eltrica pelo corpo, da intensidade e espcie da corrente, do tempo de durao, da frequncia da corrente eltrica, da tenso eltrica, estado de umidade da pele e das condies orgnicas do indivduo [10]. As perturbaes no indivduo podem ser paradas respiratrias, fibrilao ventricular e consequente parada cardaca, queimaduras profundas produzindo necrose do tecido e morte.

3.3.2 Potencial de toque

a diferena de potencial que aparece entre um ponto de uma estrutura metlica situado ao alcance da mo de uma pessoa e um ponto no cho situado a um metro de distncia da base da estrutura considerada devido passagem de corrente de falta pela terra, conforme mostra a Figura 9.

Figura 9: Potencial de Toque. esquerda a curva de distribuio de potencial. direita o circuito eltrico equivalente [13].

A Equao 2 e a Equao 3 representam o potencial de toque.Rc Vtoque = Rch + Ich 2

(2)

11

Onde: Rch = resistncia do corpo humano, considerada como 1000 Rc = resistncia de contato que pode ser considerada 3 vezes a resistividade superficial do solo (s) Ich = corrente de choque pelo corpo humano, tambm chamada de corrente limite de Dalziel [14] Ich = 0,116 (para corpo com peso de 50 t

Kg), com 0,03s t 3s , sendo t = tempo de durao do choque, e s = segundos. IF = corrente de falta no sistema R1 e R2 so as resistncias dos trechos de terra considerados.

Vtoque = (1000 + 1,5s )Ich3.3.2.1 Potencial de toque mximo

(3)

Pela corrente limite de Dalziel, o potencial de toque mximo permissvel entre a mo e o p, para no causar fibrilao ventricular, :

Vtoque mximo = (1000 + 1,5 s )

0,116 t (para corpo com peso de 50 Kg)

3.3.3 Potencial de passo

a diferena de potencial que aparece entre dois pontos situados no cho, distanciados de um metro, devido passagem de corrente de falta pela terra, conforme mostra a Figura 10.

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Figura 10: Potencial de Passo. esquerda a curva de distribuio de potencial. direita o circuito eltrico equivalente [13].

A Equao 4 e a Equao 5 representam o potencial de passo.

Vpasso = (Rch + 2 Rc )IchFazendo Rc = 3s, tem-se:

(4)

Vpasso = (1000 + 6 s )Ich3.3.3.1 Potencial de passo mximo

(5)

Novamente pela corrente limite de Dalziel, o potencial de passo mximo permissvel pelo corpo humano, para no causar fibrilao ventricular, :

Vpasso.mximo = (1000 + 6 s )

0,116 t (para corpo com peso de 50 Kg)

3.3.4 Medio de Potencial de Toque e Passo

Segundo a norma da Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT), NBR 15749 [11], a medio dos valores das tenses de passo e toque realizada usando o mtodo de queda de potencial, de forma semelhante medio da resistncia da rede geral de terra, exceto pelo fato do eletrodo de potencial estar localizado dentro da malha de aterramento e o seu deslocamento ser de metro em metro.

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So levantados perfis de tenso de passo e toque prximos a equipamentos que so normalmente manuseados por operrios dentro da subestao. A tenso de passo calculada como a diferena de potencial entre duas placas ou hastes metlicas em contato com o solo e separadas por uma distncia de 1 metro (m). A tenso de toque medida entre a parte metlica do equipamento ligado malha de aterramento e a placa ou haste alocada a 1 m de distncia do equipamento sob teste. A Figura 11 e a Figura 12 mostram o procedimento para medies de potencial de passo e toque.

Figura 11: Medio do potencial de passo [11].

Figura 12: Medio do potencial de toque [11].

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O valor real de tenso de toque e passo ao qual est sujeito o pessoal tcnico no momento de uma falta calculado como o produto entre a tenso registrada no ensaio V* e o valor de corrente de malha (IMalha) correspondente parcela de corrente de falta dissipada pela malha de aterramento para o solo, informao do projeto de aterramento. O clculo feito conforme a Equao 6 e Equao 7: Vtoque = V1 I malha*

V passo

( ) = (V V )I* * 2 1

(6)malha

(7)

Onde (Vx*) corresponde tenso quando 1 (um) Ampre de corrente injetado na malha de aterramento.

3.3.5 Potencial de transferncia

a diferena de potencial entre um ponto do sistema de aterramento e um ponto remoto, devido passagem de correntes de falta pela terra, localizado a uma distncia suficientemente afastada da zona de influncia desse sistema [8].

3.4 RESISTIVIDADE DO SOLO

Resistividade

eltrica

do

solo,

resistncia

especfica

do

solo

ou,

simplesmente, resistividade do solo a resistncia entre faces opostas do volume do solo, consistindo de um cubo homogneo e istropo cuja aresta mede uma unidade de comprimento [16]. No projeto de um sistema de aterramento, de fundamental importncia, o conhecimento prvio do valor da resistividade do solo, onde ser construdo o mesmo. A corrente eltrica pode fluir pelo solo, essa dissipao ocorre porque o solo tambm considerado um condutor, de acordo com a sua resistividade. Os solos que apresentam mais baixa resistividade so os que contm resduos vegetais, turfosos, em locais pantanosos, nas profundezas dos vales e nas margens de rios. Os solos que apresentam os mais altos valores de resistividade so os arenosos, os rochosos, em locais altos e desprovidos de vegetao, nos desertos, etc. 15

Vrios fatores influenciam na resistividade do solo. Entre eles, podem-se ressaltar: Tipos de solo; Mistura de diversos tipos de solo; Solos com camadas estratificadas com profundidades e materiais diferentes; Teor de umidade; Temperatura; Compactao e presso; Composio qumica dos sais dissolvidos na gua retida; Concentrao dos sais dissolvidos na gua retida. As diversas combinaes acima resultam em solos com caractersticas diferentes e, consequentemente, com valores de resistividade distintos. Assim, solos aparentemente iguais tm resistividades diferentes. Para ilustrar, a Tabela 1 mostra a variao da resistividade para solos de naturezas distintas.Tabela 1: Variao da resistividade em funo do tipo do solo [16]Tipos de solo gua do mar Alagadio, limo, hmus, lama gua destilada Argila Calcrio Areia Granito Basalto Faixa de resistividades (m) menor do que 10 at 150 300 300 5.000 500 5.000 1.000 8.000 1.500 10.000 a partir de 10.000 Molhado: 20 100 Concreto mido: 300 1000 Seco: 3 km 2 Mm

16

O solo um elemento totalmente heterogneo, de modo que seu valor de resistividade varia de uma direo a outra, conforme o material de que composto, segundo a profundidade de suas camadas e idade de sua formao geolgica. Uma propriedade importante da terra a capacidade de reteno de umidade, influenciada por sua vez, pela porosidade do terreno; esta capacidade permite que, durante a passagem de altas correntes, o aquecimento resultante no provoque uma evaporao to rpida, no perdendo assim a terra, sua propriedade principal que a de dispersora de correntes, sem elevar os potenciais alm dos permissveis. 3.4.1 Variao da resistividade do solo

Na Figura 13, pode-se notar a variao da resistividade do solo com a umidade, salinidade e temperatura. (m) 5000 (m) 5000

1000 500

1000 500

100 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Umidade (%)

100 50

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 Salinidade (%)

(m) 5000

1000 500

100 50 25 20 15 10 5 0 5 10 15 20 25 temperatura (C)

Figura 13: Variaes tpicas de resistividade () do solo [16].

Pelas imagens, fcil notar que a resistividade decresce com o aumento da umidade, com a dissoluo de sais e com o aumento da temperatura (