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Sérgio Henrique Lopes Cabral*
Capítulo VI
Esquemas elétricos de aterramento: análise comparativa de funcionalidades
Açõesquegarantamumamaiorsegurançaparaoempregadonoseuambientedetrabalhotêmse
popularizadonosúltimosdezanos.Naáreadeeletricidade,esseprocessotemacontecido,sobretudo,apósa
publicaçãodasegundaversãodaNormaRegulamentadoranº10,em2004,aNR10,quedispõesobremedidas
decontroleesistemaspreventivosaseremimplantadosparagarantirasegurançaeasaúdedotrabalhadorem
instalaçõeseserviçosdeeletricidade.
Considerandoarelevânciadotema,desde2003,éorganizadonoPaísoSeminárioInternacional
daEngenhariaElétricanaSegurançadoTrabalho(ElectricalSafetyWorkshop),oESWBrasil,ondesão
apresentadostrabalhosdesenvolvidossobreoassuntoporprofissionaisepesquisadoresdaárea.Osartigosque
compõeessesfascículosde“Segurançadotrabalhoemeletricidade”foramselecionadosdentreostrabalhos
apresentadosnoúltimoESW,realizadoentreosdias22e24desetembrode2009emBlumenau(SC).
Umadasquestõesabordadasfoiosesquemaselétricosdeaterramento.Issoporqueumsistemade
aterramentoelétricofuncionaléfundamentalnaqualidadedaenergiaelétricadetodaequalquerinstalação.
Entretanto,emdiversasinstalações,emqueérequeridaaltaqualidadedaenergia,aindaseverificamdiversos
equívocosnousodoaterramentoelétrico,porexemplo,ousodeaterramentoelétricoisolado,querepresenta
umclaroperigodevidaparaosusuáriosdainstalaçãoequetambémcolocaemriscoosequipamentos.
Embora com certas restrições inseridas nas
últimas revisões, o fato é que a ABNT NBR 5410
prevêousodediversostiposdeaterramento,gerando
possibilidade de confusão por parte dos projetistas.
Comoumaspecto interessante,algunsdosesquemas
previstospelanormasão,porexemplo,proibidosnos
EstadosUnidos.Há,portanto,umlongocaminhoaté
que se consiga esclarecer quais problemas esse tipo
deesquemarepresenta.Esse trabalhovisadebateras
melhorespráticasdeesquemas.
Esquemas elétricos previstos pela ABNT NBR 5410
Segundoanormabrasileiradeinstalaçõeselétricas
debaixatensão,aABNTNBR5410,naclassificação
dos esquemas de aterramento é utilizada a seguinte
simbologia:
Primeira letra – Situaçãodaalimentaçãoemrelaçãoàterra:
T=Umpontodiretamenteaterrado;
I=Isoladadaterra;
Segunda letra – Situação das massas da instalação
elétricaemrelaçãoàterra:
T=Massasaterradascomterraprópria;
N = Massas ligadas diretamente ao ponto aterrado
da fonte (em corrente alternada, o ponto aterrado é
normalmenteopontoneutro);
I=Isoladadaterra;
Outras letras (eventuais) – Disposição do condutor
neutroedocondutordeproteção:
S=Funçõesdeneutroedeproteçãoasseguradaspor
condutoresdistintos(separados);
C=Funçõesdeneutroedeproteçãocomuns;
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Esquemas TN (TN-C e TN-S, principais)
De acordo com a nomenclatura anterior, os esquemas TN
possuemumpontodealimentaçãodiretamenteaterrado,sendoas
massasligadasaestepontopormeiodecondutoresdeproteção.
Nessesesquemas,todacorrentedefaltadireta“fase-massa”éuma
correntedecurto-circuito.
O esquema mais comumente usado, ainda hoje, é o TN-C,
mostrado na Figura 1, em que o condutor de neutro tem a função
adicionaldepropiciarpotencialdeterraaosequipamentos.Alémdessa,
suaprincipalfunçãoéoretornodecorrentedascargas.Emborasejaum
esquemaquetendeasersubstituídoalongoprazo,aindaécomumde
serencontrado,tornando-seumareferênciaparaacomparaçãocomos
demaisesquemas.Suasprincipaiscaracterísticassão:
1) Eminstalaçõeslongas(verticaisouhorizontais),opotencialdo
condutor de neutro difere do potencial zero (de terra, entrada)
porcontadapassagemdecorrentesdecargapelocondutor.Essa
elevaçãodepotencialpodeserprejudicialparaofuncionamento
deEquipamentosEletrônicosSensíveis(EES);
2)Orompimentoacidentaldoneutropossibilitaacidentescomoa
potencializaçãodemassasdeequipamentospelafase;
3) O esquema induz à prática de se adaptar o fio de terra de
equipamentos ao pino de tomada-macho que vai ao neutro da
tomada-fêmea.O perigo de energizar amassa do equipamento,
porinversãodatomada,éeminente;
4) Supostamente,oscustossãoreduzidos,devidoanãoutilização
deumcondutorsomenteparaaterrarasmassas(condutordeterra
ouPE,doinglêsProtectiveEarth).
5) Equipamentos ruidosos inseremno condutor de neutro ruídos
quevãoatingirequipamentossensíveis.
Figura 1 – Esquema TN-C (o condutor de neutro serve para aterrar as massas dos equipamentos)
Porsuavez,umesquemamaiscorreto,noqualsedistinguem
as funções de aterramento e de retorno de corrente, é oTN-S.
Neste,ocondutorneutroeocondutordeterra(oudeproteção)são
distintos,talcomomostradonaFigura2.
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Figura 2 – Esquema TN-S (o condutor de neutro serve para apenas para retorno de corrente)
Emboranãohajacorrentedecarga (retorno)circulandopelo
condutordeterra,aelevaçãodeseupotencialtambémocorreainda
queemmenorgrau.Basicamenteissoécausadopeloacoplamento
eletromagnético, indutivo e capacitivo, devido à distância
(relativamentecurta)entrecondutoresdefaseedeneutro,talcomo
mostradonaFigura3.Essefatotambémprovocaa“contaminação”
docondutordeterraporruídos.
Figura 3 – Esquema TN-S (acoplamento capacitivo e indutivo, causando elevação de potencial do condutor de terra)
A soluçãoparaa situaçãoconsisteematerrarocondutorde
terraemváriospontos, talcomoesquematicamentemostradona
Figura4.Assim,forma-se,então,umsistemadeaterramentoúnico.
Emconstruçõesverticais,essespontosdeaterramentopodemser
ferragensestruturais,porexemplo.
Figura 4 – Esquema TN-S (aterramento do condutor de terra em vários pontos, formando um sistema de aterramento único)
É importante observar que cada equipamento deve ter sua
massaligadaaesseaterramentoúnicoemsomenteumponto,para
evitaracirculaçãodecorrentesespúriasemsuamassa.
Esquema TT e outros
Finalmente, trataremos do esquema TT. Além desses, é
importantecitarqueexisteoutrosesquemas,comooIT,quetem
aplicaçõesparticulares,taiscomohospitais;eoTN-C-S,queéum
mistodoTN-ScomoTN-C.
NoesquemaTT,entretanto,umaterramentoemseparado(ou
isolado)éutilizadosomenteparaaterraramassametálicadecada
umdosequipamentos,talcomomostradonaFigura5.
Figura 5 – Esquema TT (cada equipamento tem sua massa ligada a um aterramento isolado)
Histórico Por volta dos anos 1960, nos Estados Unidos, com início do
aumento do uso ostensivo de equipamentos eletrônicos sensíveis,
haviadesconfiançasfundamentadasquantoàpossibilidadedeusodo
aterramentogeraldainstalaçãoparaaterraramassaouacarcaçadesses
equipamentos.Afinal, o aterramento geral estava (e ainda hoje está)
sujeitoadiversasincidênciasdesurtos,demanobraeatmosféricos,ede
ruídosespúriosoriundosdeequipamentoscadavezmaispotentes.
Assim,osequipamentossensíveisdeveriamteramassaouacarcaça
ligadaaumaterramentoexclusivo,isolado,enãomaisnoaterramento
geral, em que também estaria ligado ao neutro da rede, tido como
ruidoso.
Seguiu-se um período de um sem-número de defeitos nos
equipamentos ligados em aterramento em separado, principalmente
devido a trovoadas. Em significativo número, houve também relatos
dechoqueselétricosedeexistênciasdeperdas(fugadecorrente)nas
instalações.
Após uma série de análises cuidadosas a respeito do problema,
nos EstadosUnidos, verificou-se anecessidadede correçõesdouso
de todososesquemasdeaterramento,culminandocomaproibição
deaterramentoseminentementeisolados(TT)edeusodoneutropara
aterramentodemassas(TN-C)naquelepaís.Portanto,oEsquemaTN-S
éorecomendado.
NoBrasil,porsuavez,emboraanormaNBR5410tenharestritoo
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Figura 6 – Esquema TT sob falta
Figura 7 – Esquema geral do experimento de comprovação do desempenho do esquema TT sob falta
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e usodeesquemasquenãosejamoTN-S,muitasinstalaçõesaindanão
atendemaosmínimosrequisitosdesegurança.Ouseja,vive-seaindana
épocadequeimadeequipamentos,representandosignificativoscustos
demanutenção,exposiçãodeusuáriosachoqueselétricose,também,
possibilitandoaexistênciadeperdassignificativasnainstalação,com
eminenteprejuízo.
Para piorar esse quadro, não é difícil encontrar instalações que
apresentemdiversosdosesquemasdeaterramentoemconvívio,ainda
quesejamincompatíveis.Dessaforma,pretende-sequeestetrabalho
contribuaparaumaculturadeutilizaçãocorretadeesquemaselétricos,
que, por consequência, garante maior segurança às pessoas que
precisamoperarequipamentoselétricos.
Análise de desempenho do esquema TT em faltas
Para demonstrar alguns dos problemas advindos do uso do
esquemaTT,considereocircuitoequivalenteaoesquemadaFigura5,
emqueoequipamentotemumaterramentoexclusivoparasuamassa,
dito isolado. Considere ainda que é bastante comum a elaboração
desse aterramento usando-se algumas hastes comerciais, podendo a
resistênciaelétricaatingirvalordaordemde30W.
Entretanto,éimportanteobservarqueparaoleigo,crê-sequehá
umaconexãoelétricaperfeitaderesistênciaelétricanula.Porsuavez,
considereovalordaresistênciaelétricadoaterramentodeneutroda
instalaçãonessamesmaordem,poisasconcessionáriasrecomendam
valoresde10Wa25W.
Finalmente,considereque,acidentalmente,dentrodoequipamento
umadasfasestenhacontatoelétricodebaixaimpedânciaparaamassa
doequipamento.AFigura6mostraumcircuitoelétricorepresentativo
dasituação,ondeseinsereoelementousuáriodoequipamento,sobre
osolo.Afasecomfaltaé,parafinsrepresentativos,aqueestáindicada
pelaletraF.
O usuário que está sobre o solo, em posição distante do
aterramento isolado, é considerado como se estivesse sobre um
planoequipotencialuv,queestánomesmopotencialdex.Este
pontox,porsuavez,representaospontosafastadosdoaterramento
doneutroedoaterramentoisolado.Addpdechoqueelétricono
usuárioserá:
SendoRTTaresistênciaelétricadoaterramentoisoladoeITa
correntedefalta,dadapor:
EmqueVfNéatensãofase-neutroeRNaresistênciaelétricado
aterramentodoneutro.Porquestõesdepraticidade,asimpedâncias
dosalimentadoreseinternasaostransformadoressãodesprezadas.
Tambémconsidera-sequeousuáriotenhaumaresistênciaelétrica
muito maior que RTT. Considerando os valores de RN e RTT,
anteriormentecitados,bemcomoVfN=220V,obtém-seVchoque por
voltade120V.Essevalor,comum,demonstraque:
1) O usuário está exposto a uma forma sustentada de choque
elétrico,podendo falecer,umavezqueovalordacorrente total
drenada não representa sobrecorrente, tornando-se impossível a
atuaçãodedisjuntorescomunsparaeliminarodefeito;
2)Mesmonãohavendocontatodeumusuário,odrenodecorrente
representaumaperdasignificativa.Nocaso,umaperdanaordem
de1000Wcomevidentecustoparaoproprietáriosemqueseja
perceptívelpelorelativobaixoníveldecorrente;
3)Ocondutordeneutro,quecontinuaaservirainstalação,estádeslocado
dopotencialdosdemaisusuáriosemΔV=RN x IT =100V,oquesignifica
queoconvíviodessaformadeaterramentocomaquelasqueseutilizam
dopotencialdeneutroparaacarcaça,TN-C,porexemplo,representa
considerávelperigo.
Comprovação experimental Comoobjetivodecomprovarasituaçãoanteriormenteanalisada
no plano teórico, foi realizadono laboratório de eletrotécnica da
UniversidadedeBlumenau(FURB)oseguinteexperimento.
Uma haste metálicaX de 50 cm foi cravada em 40 cm no
solo do pátio a uma distância de dois metros do laboratório,
obtendo-se uma resistência elétrica de cerca de 220W,medida
com equipamento para esse fim. Uma outra haste metálica Y,
idênticaàX,foicravadaempontodistantedezmetrosdaprimeira
haste,namesmaprofundidade.
AFigura7mostraoesquemageraldoexperimento.
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Porsuavez,aFigura8mostraasimulaçãodafaltadafaseFpara
aterra.Nessacondição,ahasteXrepresentaoaterramentoisolado
doesquemaTT,enquantoahasteYrepresentaopotencialdosolo
emregiõesafastadasdoaterramentoX,comaintençãoqueahaste
YrepresenteopotencialdeumusuáriodoexemplodaFigura6.
Figura 8 – Circuito de simulação de falta a terra no esquema TT
Pormeiodeumautotransformadorvariável,a tensãode faltada
fase F para a hasteX foi elevada gradualmente, verificando-se uma
estabilizaçãodacorrentemedidaemtornode1,0Aparaaaplicação
diretadafaseem220V.Nessacondição,atensãomedidaentreahaste
Y(referência)eoneutrodainstalaçãoV1foidecercade5V,enquanto
atensãoentrehastesfoidecercade217V.
Comessesvalores,atendo-seaoesquemadaFigura8econsiderando
quenainstalaçãonãoháoutrospontosdecontatocomaterra,paraas
faseseneutro,verifica-seque:
O valor da resistência de neutro RN atende aos padrões da
concessionária, mas este é o único resultado benéfico com o
experimento,poistambémseverificaque:
1)Opotencialdechoqueelétriconessasituação,que,paraumusuário,
épraticamenteodefase;
2)Apotênciadesperdiçadaédecercade220W,semquehajasua
detecçãoporsubcorrente,queéaformamaisdifundidadeproteção;
3)Opotencialdeneutrodetodoocampusfoielevadoem5V,oque
poderepresentarperigoparaofuncionamentodosdemaisequipamentos
sensíveisexistentes.
Conclusão Como conclusão, nota-se que a origemdo uso do esquemaTT
estánalegítimanecessidadedequeareferênciadepotencialdeterra
fosseobtidadeumpontosemcontatocomoterra“sujoeruidoso”da
instalaçãoemgeral(entrada).Naverdade,aideiadeumaterramento
extranãoédetodoruim.Masrequerumasimplesadaptaçãoe,com
isso,consegue-seumamudançasignificativa.
Por exemplo, para que esse sistema se transforme no esquema
TN-S,bastaqueumcondutordeterra,conectadoaoneutrosomente
naentradadaalimentação,interliguetodososaterramentosqueantes
estavam isolados. Isso faz alcançar o pretendido objetivo de que o
condutorde terradeva ser aterrado tantas vezesquantopossível, talV1 ≅ 5V = x 220VRN
RN + RTT
RT ≅ 200 Ω RN ≅ 5 Ω
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Segurança do trabalho em eletricidade
*SéRgiO HENRiquE LOPES CABRAL é engenheiro eletricista pela universidade
Federal Fluminense (uFF), mestre em engenharia elétrica (alta tensão e
equipamentos) pelo instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa
de Engenharia, da universidade Federal do Rio de Janeiro (Coppe/uFRJ), e doutor
em engenharia elétrica (compatibilidade eletromagnética) pela universidade
Federal de Santa Catarina (uFSC). é professor do Departamento de Engenharia
Elétrica e Telecomunicações da universidade de Blumenau (DEET/FuRB) desde
1994. Ministra a disciplina de aterramento elétrico (para o curso de graduação de
engenharia elétrica) na FuRB, além de cursos e palestras.Figura 9 – Surgimento de ddp de surto no interior do equipamento devido ao uso de aterramento externo
Figura 10 – Ddp de surto nula no interior do equipamento graças ao uso do esquema TN-S
comomostradonaFigura4.
Oexperimentofoirealizadocomcuidadodeseevitaroexcessivo
deslocamento de neutro, o que foi possível pelo usode resistências
elétricasaltasenvolvidas.Nocaso,cercade220WparaahasteX.A
resistênciaelétricadahasteYnãoteminfluêncianoexperimento.Não
obstante,nãoérarosedepararcomsituaçõesemquearesistênciado
aterramentoisoladoalcancevaloresbemmenores,daordemdealguns
ohms,oqueimplicamenorperigodechoqueelétricoparaousuário.
Porém,émaiorapotênciadesperdiçada,bemcomoéaelevaçãodo
potencialdeneutro,oquepassaarepresentarperigodechoqueelétrico
paraosdemaisusuários,alémdeperigodequeimadosequipamentos
dainstalação.
Até esse ponto do trabalho, foram mostradas características de
desempenhodosesquemaselétricosnascondiçõesdefalhesemregime.
Entretanto, suas performances são significativamente importantes em
umaformadesolicitaçãomuitofrequente,queéquantoàincidência
dedescargasatmosféricas.Nestasituação,érelativamentefácilverificar
queoesquemaTTtemfracodesempenho,poisinerentementefazainda
surgirperigosasdiferençasdepotencial.
OexemplodaFigura9permitedemonstrarcomooesquemaTT
é consideravelmente vulneráveldiantedapresençadepotenciaisde
surtosatmosféricosquesepropagamporaçãodiretaouinduzidade
descargas.Considereentãoqueumsurto sepropagapelo soloapós
aincidênciadeumraioealcanceoaterramentoextradainstalação.
Àvelocidadeda luz,opotencialdessesepropaganoequipamento,
energizandotodaasuamassa.
Entretanto, internamente ao equipamento, opotencial doneutro
aindasemantémigualazero,poisapropagaçãoaindanãooatingiu,
devendodemoraralgunsmilésimosdesegundo,masestetempoéo
suficienteparagarantirumaconsiderávelddpdesenvolvidainternamento
noequipamento,queinvariavelmentecausarádescargaelétrica,falha
doisolamentointernoe,consequente,queimadoequipamento.
Por exemplo, é possível considerar o potencial do aterramento
do neutro como sendo nulo. A diferença de potencial entre neutro
e aterramento isolado, que decorre de seus distanciamentos e da
propagaçãodesurtosàvelocidadedaluz(300metrospormilionésimo
de segundo), é subitamente trazida para o interior do equipamento,
representandoconsiderávelpossibilidadedequeimadesse.Vê-se,então,
porqueébastantecomumaqueimadeequipamentoseminstalaçõesque
fazemusodeaterramentoelétricoisolado,emdiasdetrovoadas.
Porsuavez,paraaanálisededefeitosemfrequênciaindustrial,asolução
estáeminicialmenteunirosaterramentosformandoumúnicosistemadesses,
caracterizandooesquemaTN-S,talcomofoimostradonaFigura4.
NaFigura10,émostradooqueocorrecomoequipamentoapartir
deumamesmasolicitaçãoporcontadedescargaatmosférica.Coma
conexãodamassadoequipamentoaoaterramentogeral,viacondutor
de terra, emumúnico ponto, a incidência da descarga ainda pode
causar a elevação do potencial damassa do equipamento, embora
ocondutordeterravenhaagarantiropotencialdezeroàmassado
equipamento,masficaclaroquenãoháddpinternaaoequipamento.
Porisso,éimportanteutilizardispositivosdeproteçãocontrasurtos,
os DPS, representado por varistores e centelhadores devidamente
coordenadosparaprotegeroequipamentoe,principalmente,aspessoas
queutilizamosequipamentos.
Nesseponto,surgemaisumapreocupaçãoquantoàproteçãode
equipamentoscontrasurtos:aculturapoucodifundidadousocorreto
dos protetores. Como consequência, muitos produtos comerciais
prometem proteção além de possibilidades tecnicamente razoáveis.
Emboraesseassuntosejaamploemereçaumartigoespecialparaisso,
épossíveldeixardoisconselhosimportantesparaosinteressadosem
utilizarosDPScorretamente:
1)Todo DPS tem vida útil. Mais cedo ou mais tarde ele virá a se
deteriorar.Porisso,umDPStemquesinalizaraosusuários(atravésde
leds,porexemplo)essacondição;
2)ODPStrabalhacoordenado.Existemgruposquealternamrapideze
robustez(oucapacidadededesviaraenergiadosurtoàterra).Porisso
suaaplicaçãocorretajánãogaranteproteçãoabsoluta,comresultados
aindapioresapartirdaaplicaçãosemcritérios.
Referências1 – IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power
Systems / Institute of Electrical and Electronics Engineers. New York : IEEE, 1992. 234p.
: il. (IEEE Std 142 1991);
2 - Aterramento Elétrico – Kindermann, G e Campagnolo, J. M. – Ed. Sagra-dc Luzzatto.
Porto Alegre, 1992;
3 - Cabral, S. H. L. ; MEYER, Luiz Henrique ; MUSTAFA, T. I. A. H. . Problemas de
Qualidade de Energia Elétrica Decorrentes do Uso de Aterramentos Elétricos Isolados
- Esquema TT, NBR 5410. In: III Seminário Brasileiro de Qualidade de Energia Elétrica,
1999, Brasília. III SBQEE, 1999. p. 391-395.