Aterramento elétrico., Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Elétrica

Baixe Aterramento elétrico. e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity!

1. O que é um aterramento elétrico?

2. O s objetivos do aterramento do sistema

3. P or que deve-se preferir os sistemas aterrados?

4. F unções básicas dos sistemas de aterramento

5. A lguns conceitos importantes sobre aterramento

6. L igação à terra

7. E letrodos de aterramento

8. A terramento e corrosão

9. O aterramento e os diversos sistemas de proteção

10. O aterramento único das instalações elétricas

11. B ibliografia

Í N D I C E

Aterrar o sistema, ou seja, ligar intencionalmente um condutor fase ou, o que é mais comum, o neutro à terra, tem por objetivo controlar a tensão em relação à terra dentro de limites previsíveis. Esse aterramento também fornece um caminho para a circulação de corrente que irá permitir a deteção de uma ligação indesejada entre os condutores vivos e a terra. Isso provocará a operação de dispositivos automáticos que removerão a tensão nesses condutores. O controle dessas tensões em relação à terra limita o esforço de tensão na isolação dos condutores, diminui as interferências eletromagnéticas e permite a redução dos perigos de choque para as pessoas que poderiam entrar em contato com os condutores vivos.

2. O s o b j e t i v o s d o a t e r r a m e n t o d o s i s t e m a

O primeiro objetivo do aterramento dos sistemas elétricos é proteger as pessoas e o patrimônio contra uma falta (curto-circuito) na instalação. Em termos simples, se uma das três fases de um sistema não aterrado entrar em contato com a terra, intencionalmente ou não, nada acontece. Nenhum disjuntor desliga o circuito, nenhum equipamento pára de funcionar. Os sistemas não aterrados foram muito populares nas insta- lações industriais na primeira metade do século 20, precisamente porque as cargas acionadas por motores, que eram muito comuns na época, não parariam simplesmente por causa de um curto-circuito fase-terra. No entanto, uma consequência desse tipo de sistema é que é possível energizar a carcaça metálica de um equipamento com um potencial mais elevado do que o da terra, colocando as pessoas que tocarem o equipamento e um componente aterrado da estrutura simultaneamente, em condições de choque. O segundo objetivo de um sistema de aterramento é oferecer um caminho seguro, controlado e de baixa impedância em direção à terra para as correntes induzidas por descargas atmosféricas.

3. P o r q u e d e v e - s e p re f e r i r o s s i s t e m a s a t e r r a d o s?

Potencial de terra

Sem aterramento, a carcaça assume um potencial elevado em relação à terra

U

Figura 2

Podemos resumir as funções de um sistema de aterramento nos seguintes tópicos:

4.1 - Segurança pessoal

A conexão dos equipamentos elétricos ao sistema de aterramento deve permitir que, caso ocorra uma falha na isolação dos equipamentos, a corrente de falta passe através do condutor de aterramento ao invés de percorrer o corpo de uma pessoa que eventualmente esteja tocando o equipamento.

Dispositivo proteção

4. F u n ç õ e s b á s i c a s d o s s i s t e m a s d e a t e r r a m e n t o

4.2 - Desligamento automático

O sistema de aterramento deve oferecer um percurso de baixa impedância de retorno para a terra da corrente de falta, permitindo, assim, que haja a operação automática, rápida e segura do sistema de proteção.

Figura 3A - Com aterramento, a corrente praticamente não circula pelo corpo.

Figura 3B - Sem aterramento, o único caminho é o corpo.

Figura 4

Potencial de terra

Plano de referência ”Quieto“

Figura 6

4.6 - Equipamentos eletrônicos

Especificamente para os sistemas eletrônicos, o aterramento deve fornecer um plano de referência quieto, sem perturbações, de tal modo que eles possam operar satisfatoriamente tanto em altas quanto em baixas freqüências.

5.1 - Tensão de contato

É a tensão que pode aparecer acidentalmente, quando da falha de isolação, entre duas partes simultaneamente acessíveis.

5.2 - Tensão de toque

Se uma pessoa toca um equipamento sujeito a uma tensão de contato, pode ser estabelecida uma tensão entre mãos é pés, chamada de tensão de toque. Em consequência, poderemos ter a passagem de uma corrente elétrica pelo braço, tronco e pernas, cuja duração e intensidade poderão provocar fibrilação cardíaca, queimaduras ou outras lesões graves ao organismo.

5. A lguns conceitos importantes sobre aterramento

5.3 - Tensão de passo

Quando uma corrente elétrica é descarregada para o solo, ocorre uma elevação do potencial em torno do eletrodo de aterramento, formando-se um gradiente (distribuição) de queda de tensão, cujo ponto máximo está junto ao eletrodo e o ponto mínimo muito afastado dele. Se uma pessoa estiver em pé em qualquer ponto dentro da região onde há essa distribuição de potencial, entre seus pés haverá uma diferença de potencial, chamada de tensão de passo, a qual é geralmente definida para uma distância entre pés de 1 metro. Consequentemente, poderá haver a circulação de uma corrente através das duas pernas, geralmente de menor valor do que aquele no caso da tensão de toque, porém ainda assim desagradável e que deve ser evitada.

U (^) toque Potencial de terra

U passo

Potencial de terra

Figura 7A - Tensão de toque.

Figura 7B - Tensão de passo.

5.5 - Potencial transferido

O termo potencial de terra transferido refere-se à tensão em relação à terra que surgirá nos condutores em consequência do eletrodo de aterramento do sistema de alimentação estar acima do potencial de terra normal. As maiores tensões transferidas ocorrem geralmente pelas correntes de falta à retornando à fonte via terra. Os potenciais de transferência podem ser diminuidos se a resistência (ou impedância) de terra for reduzida ao menor valor possível. A isolação dos equipamentos de baixa tensão em locais onde há potenciais diferentes em relação à terra pode ser obtida pelo emprego de dispositivos que rejeitam tensões de modo comum, como transformadores de separação ou links em fibras ópticas.

Potencial de terra

Aterramento do funcional do equipamento

Equipamento

Aterramento de carcaça

(∆U ruído de modo comum)

Figura 8

O sistema elétrico de uma aeronave em vôo possui um terminal de aterramento, condutores de aterramento, etc., sem, no entanto, haver "terra" no local. Para uma pessoa trabalhando no décimo andar de um edifício que possua a sua estrutura metálica aterrada, qual é o valor do potencial da terra (no nível do solo) não tem o menor significado. Se ela for transportada para o térreo, onde o piso tem contato direto com o solo, então a terra se torna a sua referência mais apropriada para a qual uma tensão de toque ou de passo deve ser referenciada. Dessa forma, o terra de referência a ser utilizado para expressar as intensidades da tensão pode ser, às vezes, a terra mas, em outros casos, pode ser um condutor metálico de aterramento. Em certas ocasiões, o potencial de terra pode ser muito diferente daquele do condutor de aterramento. Sendo assim, é muito importante que as tensões de toque e passo sejam expressas em relação ao terra de referência mais apropriado.

6. L i g a ç ã o à t e r r a

∆U = 12500V

1000A

15 cm

R T =25Ω {

A terra é um condutor ruim em relação aos materiais metálicos

p/ TAP

∆U muito pequeno

Malha metálica

Resistência elétrica nesse trecho extremamente reduzida

p/ TAP

I

Figura 9A - Tensão desenvolvida na vizinhança de um eletrodo de aterramento.

Figura 9B

A terra em si é um condutor elétrico muito ruim, cuja resistividade é da ordem de um bilhão de vezes maior do que a de um condutor de cobre. A resistência de aterramento pode ser imaginada como sendo a soma de várias resistências em série, cada uma relativa a uma camada cilíndrica de terra. Na prática, metade da resistência total de aterramento concentra-se na vizinhança imediata (15cm) do eletrodo de aterramento. Imagine uma

resistência de aterramento de 25Ω e uma corrente de 1000A fluindo por ela.

Temos então, entre o ponto de injeção da corrente no solo e 15cm dela uma diferença

de potencial de 12500V (25Ω /2 x 1000A). Uma pessoa em pé nessa região, estará

submetida a essa tensão de passo (figura 9A). A colocação de uma malha metálica aterrada nessa região, à qual estejam ligadas todas as carcaças metálicas, assegurará uma equipoten- cialidade e afastará a possibilidade da ocorrência de uma tensão de passo (ou de toque) perigosa (figura 9B). O objetivo mais amplo de um sistema de aterramento é o de se obter, o mais possível, uma condição de diferença de potencial zero (chamada de equipotencialidade) entre os condutores de proteção dos equipamentos, as carcaças dos equipamentos, os condutos metálicos e todas as demais massas condutoras da edificação, incluindo as suas ferragens estruturais e tubulações metálicas. Para qualquer pessoa dentro da edificação, mesmo se houver um aumento do potencial dos elementos mencionados em relação ao potencial de terra, não haverá o risco de choque elétrico, uma vez que todos os elementos estarão referidos ao mesmo potencial. Os condutores de aterramento devem ser instalados próximos aos condutores vivos dos circuitos e não devem ser percorridos por correntes de carga normais da instalação. Com isso, eles irão manter a diferença de potencial zero desejada entre os diversos equipamentos. Apenas quando da ocorrência de uma falta é que irá circular uma corrente pelos condutores de aterramento, ocasião em que serão observadas diferenças de potencial no sistema.

Estrutura metálica

Metal

Concreto

Haste de aterramento

Ferragem Concreto

Ferragem Concreto

Fita de cobre / cabo de cobre enterrado

Figura 10A - Eletrodos naturais.

Figura 10B - Eletrodo fabricado.

Figura 10C - Eletrodos encapsulados em concreto.

Figura 10D - Outros eletrodos.

7.2 - Conexões aos eletrodos

As conexões dos condutores de aterramento aos eletrodos são realizadas genericamente por três sistemas:

a) Dispositivos mecânicos São facilmente encontrados, simples de instalar e podem ser desconectados para efeitos de medição de resistência de aterramento. Apresentam um desempenho histórico satisfatório. Apesar de apresentarem, às vezes, problemas de corrosão, se devidamente protegidas, essas conexões podem desempenhar um bom papel. Recomenda-se que tais conexões estejam sempre acessíveis para inspeção e manutenção;

b) Solda exotérmica Esse método realiza uma conexão permanente e praticamente elimina a resistência de contato e os problemas de corrosão, sendo ideal para as ligações diretamente no solo. Requer o emprego de mão-de-obra especializada e não pode ser utilizada em locais onde haja a presença de misturas explosivas;

c) Conexões por compressão É fácil de instalar, apresenta uma baixa resistência de contato, porém não podem ser desconectados para as medições de resistência de aterramento.

8. A t e r r a m e n t o e c o r ro s ã o

O cobre, usualmente utilizado nos aterramentos, pode apresentar sérios efeitos de corrosão na presença das estruturas de ferro ou aço que estão eletricamente conectadas a ele, conforme indicado na figura 11. O problema é a corrosão galvânica, que acontece quando dois metais diferentes, imersos em um meio apropriado (eletrólito), formam uma pilha. A posição relativa de cada metal na série eletromotiva (tabela 1) determina a diferença de potencial presente entre os dois metais e que é a responsável pela circulação de uma corrente que sai do aço (ânodo), vai para o solo e entra no cobre (cátodo). No caso em questão, o potencial do ferro é + 0,04V e do cobre - 0,34V, o que resulta em uma tensão entre ambos de 0,38V. A título de ordem de grandeza, uma corrente contínua de 1A, circulando durante um ano, irá corroer 10kg de aço, 11kg de cobre, 35kg de chumbo ou 13kg de zinco! A diferença de potencial entre dois metais irá influir na intensidade de corrente elétrica que circulará entre ambos. A resistência da terra (que funciona como o eletrólito da pilha) é que limita o fluxo de corrente. Portanto, solos com baixa resistividade podem resultar em altas correntes, propiciando elevada corrosão galvânica.

Vale lembrar que os problemas de corrosão são de considerável importância apenas nos sistemas em corrente contínua, como no caso de transportes (trens, metrôs), onde há retornos de correntes pelos trilhos, o que acentua o fenômeno de corrosão.

9. O aterramento e os diversos sistemas de proteção

Conforme mencionado no item 4, o aterramento está presente em diversos sistemas de proteção dentro de uma instalação elétrica: proteção contra choques, contra descargas atmosféricas, contra sobretensões, proteção de linhas de sinais e de equipamentos eletrônicos e proteções contra descargas eletrostáticas. Normalmente, estuda-se cada proteção mencionada separadamente, o que leva, em alguns casos, a imaginar que tratam-se de sistemas completamente separados de proteção. Isso não é verdade. Para efeito de compreensão, é conveniente separar os casos, porém, na execução dos sistemas, o que existe é um único aterramento. Dessa forma, veremos a seguir os principais aspectos de cada item e, no final, iremos reuní-los em um só aterramento.

9.1 - Proteção contra choques elétricos

Quando se fala em proteger as pessoas contra choques elétricos, deve-se lembrar que o perigo está presente quando o corpo da pessoa está sendo percorrido por uma corrente elétrica superior a um dado valor por um tempo maior do que o suportável. Essa dependência corrente-tempo pode ser observada no gráfico 1, obtido a partir de estudos realizados pela IEC. Como a questão é limitar (ou eliminar) a corrente que atravessa o corpo ou permitir que ela circule apenas durante um tempo determinado, temos que agir sobre essas duas variáveis para enfrentar o problema do choque. Para tanto, há algumas maneiras possíveis de prover essa proteção:

Aterramento único

Proteção de equipamentos de informações

Proteção contra descargas atmosféricas Proteção contra descargas eletrostáticas

Proteção contra sobretensões

Proteção contra choques

Figura 12

• se a pessoa estiver isolada da fonte, não haverá como circular corrente pelo seu corpo. Ela poderá estar calçando botas e luvas isolantes, porém essa não é uma situação habitual, possível de ser garantida durante muitas horas do dia. Por outro lado, se a pessoa, mesmo descalça e sem luvas, estiver posicionada sobre um piso e junto a paredes isolantes, não haverá caminho de circulação da corrente e ela estará protegida (figura 13). A NBR 5410/97 considera pisos e paredes isolantes

quando sua resistência for superior a 50kΩ. De fato, conforme a figura 14, uma

pessoa de resistência mão-pé da ordem de 1kΩ em série com um piso de 50kΩ,

submetida a uma tensão fase-terra de 127V, será percorrida por uma corrente elétrica

de aproximadamente 127V / 51 kΩ = 2,5 mA.

Conforme o gráfico 1, esse valor é insuficiente para causar problemas para a pessoa. Infelizmente, a enorme maioria dos pisos e paredes que nos cerca não é isolante

(R > 50kΩ), o que limita esse tipo de proteção apenas a lugares especialmente

construídos para tal finalidade.

Gráfico 1 - Zonas tempo-corrente de efeitos de corrente alternada (15 a 100Hz) sobre pessoas

t(ms)

0,2 0,5 1 2 5 10 20 30 50 100 200 500 1000 2000 lc(mA)

1 2 3 4

1 - Nenhum efeito perceptível. 2 - Efeitos fisiológicos geralmente não danosos. 3 - Efeitos fisiológicos notáveis (parada cardíaca, parada respiratória, contrações musculares) geralmente reversíveis.

4 - Elevada probabilidade de efeitos fisiológicos graves e irreversíveis: fibrilação cardíaca, parada respiratória.

L e g e n d a

• uma vez que os dois conceitos de proteção anteriores têm restrições práticas de aplicação, o caso mais comum é aquele em que se admite que pode haver a circulação de correntes perigosas e que elas devem ser "desviadas" do corpo humano e desligadas o mais rapidamente possível. Assim sendo, nessas circunstâncias, o conceito básico da proteção das pessoas contra choques elétricos é o de que as massas da instalação devem ser aterradas e que deve haver um dispositivo de seccionamento automático da alimentação quando da presença de correntes (tensões) perigosas para os usuários.

Dependendo da maneira como o sistema é aterrado e qual é o dispositivo de proteção utilizado, os esquemas de aterramento em baixa tensão são classificados pela NBR 5410/ em três tipos:

• Esquema TT
• Esquema TN
• Esquema IT

Esquema TT

O neutro da fonte é ligado diretamente à terra, estando as massas da instalação ligadas a um eletrodo de aterramento independente do eletrodo da fonte (figura 15). Nesse caso, o percurso de uma corrente fase-massa inclui a terra, o que limita em muito o valor da corrente devido ao elevado valor da resistência de terra. Essa corrente é insuficiente para acionar disjuntores ou fusíveis, mas suficiente para colocar em perigo uma pessoa. Portanto, ela deve ser detectada e eliminada por dispositivos mais sensíveis, geralmente chamados de interruptores diferenciais residuais (DRs).

L 1

L 2

L 3

N

R B I F

secundário do trafo

I F

U B

I F

U 0

I F

U F I^ F

R A

Figura 15

Esquema TN

O neutro da fonte é ligado diretamente à terra, estando as massas da instalação ligadas a esses ponto por meio de condutores metálicos (condutor de proteção), conforme figura 16.

Nesse caso, o percurso de uma corrente fase-massa é de baixíssima impedância (cobre) e a corrente pode atingir valores elevados, suficientes para serem detectados e interrompidos por disjuntores ou fusíveis.

O esquema pode ser do tipo TN-S, quando as funções de neutro e proteção forem realizadas por condutores separados (N = neutro e PE = proteção), ou TN-C, quando essas funções forem realizadas pelo mesmo condutor (PEN). Há ainda o esquema misto, chamado de TN-C-S.

No Brasil, o esquema TN é o mais comum, quando se tratam de instalações alimentadas diretamente pela rede pública de baixa tensão da concessionária de energia elétrica.

Nesse caso, quase sempre a instalação é do tipo TN-C até a entrada. Aí, o neutro é aterrado por razões funcionais e segue para o interior da instalação separado do condutor de proteção (TN-S). É fácil observar que, caso haja a perda do neutro antes da entrada consumidora (por exemplo, com o rompimento do neutro devido a um acidente com caminhão ou ônibus), o sistema irá se transformar em TT.

Isso nos leva a conclusão de que, mesmo em sistemas TN, é conveniente utilizar dispositivos DR para garantir a proteção das pessoas contra choques elétricos.

R B

I F

U F

U B

I F

I F

L 1

L 2

L 3

N

PE

secundário do trafo

U O

Figura 16