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Cap´ıtulo 6
Aterramento El´etrico
6.1 Introdu¸c˜ao ao Sistema de Aterramento
Para que um Sistema de Energia El´etrica opere corretamente, com uma adequada continuidade de servi¸co, com um desempenho seguro do sistema de prote¸c˜ao e, mais ainda, para garantir os limites (dos n´ıveis) de seguran¸ca pessoal, ´e fundamental que o quesito Aterramento mere¸ca um cuidado especial. Esse cuidado deve ser traduzido na elabora¸c˜ao de projetos espec´ıficos, nos quais, com base em dados dispon´ıveis e parˆametros pr´e-fixados, sejam consideradas todas as poss´ıveis condi¸c˜oes a que o sistema possa ser submetido. Os objetos principais do aterramento s˜ao:
- Obter uma resistˆencia de aterramento a mais baixa poss´ıvel, para correntes de falta `a terra;
- Manter os potenciais produzidos pelas correntes de falta dentro de limites de segu- ran¸ca de modo a n˜ao causar fibrila¸c˜ao do cora¸c˜ao humano;
- Fazer que equipamentos de prote¸c˜ao sejam mais sensibilizados e isolem rapidamente as falhas `a terra;
- Proporcionar um caminho de escoamento para terra de descargas atmosf´ericas;
- Usar a terra como retorno de corrente no sistema MRT;
- Escoar as cargas est´aticas geradas nas carca¸cas dos equipamentos. Existem v´arias maneiras para aterrar um sistema el´etrico, que v˜ao desde uma simples haste, passando por placas de formas e tamanhos diversos, chegando `as mais complicadas configura¸c˜oes de cabos enterrados no solo. Um dado importante, na elabora¸c˜ao do projeto do aterramento, ´e o conhecimento das caracter´ısticas do solo, principalmente sua resistividade el´etrica. Esta, al´em da im- portˆancia para a engenharia el´etrica, em termos de prote¸c˜ao e seguran¸ca, auxilia tamb´em outras ´areas, tais como:
- Geologia; na localiza¸c˜ao de jazidas minerais e falhas nas camadas da Terra, len¸col d’´agua, petr´oleo, g´as, etc.;
- Arqueologia; dando subs´ıdio para descobertas arqueol´ogicas.
6.1.1 Resistividade do Solo
V´arios fatores influenciam na resistividade do solo. Entre eles, pode-se ressaltar:
- tipo do solo;
- mistura de diversos tipos de solo;
- solos constitu´ıdos por camadas estratificadas com profundidades e materiais dife- rentes;
- teor de umidade;
- temperatura;
- compacta¸c˜ao e press˜ao;
- composi¸c˜ao qu´ımica dos sais dissolvidos na ´agua retida;
- concentra¸c˜ao de sais dissolvidos na ´agua retida.
As diversas combina¸c˜oes acima resultam em solos com caracter´ısticas diferentes e, conseq¨uentemente, com valores de resistividade distintos. Assim, solos aparentemente iguais tˆem resistividades diferentes. Para ilustrar, a tabela abaixo mostra a varia¸c˜ao da resistividade para solos de naturezas distintas.
Tipo de Solo e Respectiva Resistividade Tipo de Solo Resistividade [Ω · m] Lama 5 a 100 Terra de jardim com 50% de umidade 140 Terra de jardim com 20% de umidade 480 Argila seca 1500 a 5000 Argila com 40% de umidade 80 Argila com 20% de umidade 330 Areia molhada 1300 Areia seca 3000 a 8000 Calc´ario compacto 1000 a 5000 Granito 1500 a 10000
6.1.2 A Influˆencia da Umidade
A resistividade do solo sofre altera¸c˜oes com a umidade. Esta varia¸c˜ao ocorre em virtude da condu¸c˜ao de cargas el´etricas no mesmo ser predominantemente iˆonica. Uma percentagem de umidade maior faz com que os sais, presentes no solo, se dissolvam, formando um meio eletrol´ıtico favor´avel `a passagem da corrente iˆonica. Assim, um solo espec´ıfico, com concentra¸c˜ao diferente de umidade, apresenta uma grande varia¸c˜ao na sua resistividade. A tabela abaixo mostra a varia¸c˜ao da resistividade com a umidade de um solo arenoso.
A partir do ρm´ınimo, com o decr´escimo da temperatura, e a conseq¨uente contra¸c˜ao e aglutina¸c˜ao da ´agua, ´e produzida uma dispers˜ao nas liga¸c˜oes iˆonicas entre os grˆanulos de terra no solo, e que resulta num maior valor da resistividade. Observe que no ponto de temperatura 0oC (´agua), a curva sofre descontinuidade, aumentando o valor da resistividade no ponto 0oC (gelo). Isto ´e devido ao fato de ocorrer uma mudan¸ca brusca no estado da liga¸c˜ao entre os grˆanulos que formam a concentra¸c˜ao eletrol´ıtica. Com um maior decr´escimo na temperatura h´a uma concentra¸c˜ao no estado molecular tornando o solo mais seco, aumentando assim a sua resistividade. J´a no outro extremo, com temperaturas elevadas, pr´oximas de 100oC, o estado de vaporiza¸c˜ao deixa o solo mais seco, com a forma¸c˜ao de bolhas internas, dificultando a condu¸c˜ao da corrente, conseq¨uentemente, elevando o valor da sua resistividade.
6.1.4 A Influˆencia da Estratifica¸c˜ao
Os solos, na sua grande maioria, n˜ao s˜ao homogˆeneos, mas formados por diversas camadas de resistividade e profundidade diferentes. Essas camadas, devido a forma¸c˜ao geol´ogica, s˜ao em geral horizontais e paralelasa superf´ıcie do solo. Existem casos em que as camadas se apresentam inclinadas e at´e verticais, devido a alguma falha geol´ogica. Entretanto, os estudos apresentados para pesquisa do perfil do solo as consideram aproximadamente horizontais, uma vez que outros casos s˜ao menos t´ıpicos, principalmente no exato local da instala¸c˜ao da subesta¸c˜ao. Como resultado da varia¸c˜ao da resistividade das camadas do solo, tem-se a varia¸c˜ao da dispers˜ao de corrente. A figura abaixo apresenta o comportamento dos fluxos de dispers˜ao de corrente em um solo heterogˆeneo, em torno do aterramento.
As linhas pontilhadas s˜ao as superf´ıcies equipotenciais. As linhas cheias s˜ao as corrente el´etricas fluindo no solo.
6.1.5 Liga¸c˜ao `a Terra
Quando ocorre um curto-circuito envolvendo a terra, espera-se que a corrente seja elevada para que a prote¸c˜ao possa operar e atuar com fidelidade e precis˜ao, eliminando o defeito o mais rapidamente poss´ıvel. Durante o tempo em que a prote¸c˜ao ainda n˜ao atuou, a corrente de defeito que escoa pelo solo, gera potenciais distintos nas massas met´alicas e superf´ıcie do solo. Portanto, procura-se uma adequada liga¸c˜ao dos equipamentos el´etricos `a terra, para se ter o melhor aterramento poss´ıvel, dentro das condi¸c˜oes do solo, de modo que a prote¸c˜ao seja sensibilizada e os potenciais de toque e passo fiquem abaixo dos limites cr´ıticos da fibrila¸c˜ao ventricular do cora¸c˜ao humano. A maneira de prover a liga¸c˜ao ´ıntima com a terra ´e ligar os equipamentos e massas a um sistema de aterramento conveniente.
6.1.6 Sistemas de Aterramento
Os diversos tipos de sistemas de aterramento devem ser realizados de modo a garantir a melhor liga¸c˜ao a terra. Os tipos principais s˜ao:
- uma simples haste cravada no solo;
- hastes alinhadas;
- hastes em triˆangulo;
- hastes em quadrado;
medi¸c˜ao e distribui¸c˜ao, lavadora e secadora de roupas, torneira el´etrica, lava-lou¸ca, refri- gerador e freezer, forno el´etrico, tubula¸c˜ao de cobre dos aquecedores, tubula¸c˜ao met´alica, cercas met´alicas longas, postes met´alicos e projetores luminosos de f´acil acesso. J´a na ind´ustria e no setor el´etrico, uma an´alise apurada e cr´ıtica deve ser feita nos equipamentos a serem aterrados, para se obter a melhor seguran¸ca poss´ıvel.
6.1.9 Classifica¸c˜ao dos Sistemas de Baixa Tens˜ao em Rela¸c˜ao `a
Alimenta¸c˜ao e das Massas em Rela¸c˜ao `a Terra
A classifica¸c˜ao ´e feita por letras, como segue:
Primeira Letra: Especifica a situa¸c˜ao da alimenta¸c˜ao em rela¸c˜ao `a terra.
T - A alimenta¸c˜ao (lado fonte) tem um ponto diretamente aterrado; I - Isola¸c˜ao de todas as partes vivas da fonte de alimenta¸c˜ao em rela¸c˜ao `a terra ou aterramento de um ponto atrav´es de uma impedˆancia elevada.
Segunda Letra: Especifica a situa¸c˜ao das massas (carca¸cas) das cargas ou equipamen- tos em rela¸c˜ao `a terra.
T - Massas aterradas com terra pr´oprio, isto ´e, independente da fonte; N - Massas ligadas ao ponto aterrado da fonte; I - Massa isolada, isto ´e, n˜ao aterrada.
Outras Letras: Forma de liga¸c˜ao do aterramento da massa do equipamento, usando o sistema de aterramento da fonte
S - Separado, isto ´e, o aterramento da massa ´e feito com um fio (PE) separado (distinto) do neutro; C - Comum, isto ´e, o aterramento da massa do equipamento ´e feito usando o fio neutro (PEN).
6.2 Medi¸c˜ao da Resistividade do Solo
Ser˜ao especificamente abordadas, nesta se¸c˜ao, as caracter´ısticas da pr´atica da medi¸c˜ao da resistividade do solo de um local virgem. Os m´etodos de medi¸c˜ao s˜ao resultados da an´alise de caracter´ısticas pr´aticas das equa¸c˜oes de Maxwell do eletromagnetismo, aplicadas ao solo. Na curva ρ x a, levantada pela medi¸c˜ao, est´a fundamentada toda a arte e criatividade dos m´etodos de estratifica¸c˜ao do solo, o que permite a elabora¸c˜ao do projeto do sistema de aterramento.
6.2.1 Localiza¸c˜ao do Sistema de Aterramento
A localiza¸c˜ao do sistema de aterramento depende da posi¸c˜ao estrat´egica ocupada pelos equipamentos el´etricos do sistema el´etrico em quest˜ao. Cita-se, por exemplo, a localiza¸c˜ao otimizada de uma subesta¸c˜ao, que deve ser definida levando em considera¸c˜ao os seguintes itens:
- Centro geom´etrico de cargas;
- Local com terreno dispon´ıvel;
- Terreno acess´ıvel economicamente;
- Local seguro `as inunda¸c˜oes;
- N˜ao comprometer a seguran¸ca da popula¸c˜ao.
Portanto, definida a localiza¸c˜ao da subesta¸c˜ao, fica definido o local da malha de terra. J´a na distribui¸c˜ao de energia el´etrica, os aterramentos situam-se nos locais da ins- tala¸c˜ao dos equipamentos tais como: transformador, religador, seccionador, regulador de tens˜ao, chaves, etc. No sistema de distribui¸c˜ao com neutro multi-aterrado, o aterramento ser´a feito ao longo da linha a distˆancias relativamente constantes. O local do aterramento fica condicionado ao sistema de energia el´etrica ou, mais pre- cisamente, aos elementos importantes do sistema. Escolhido preliminarmente o local, devem ser analisados novos itens, tais como:
- Estabilidade da pedologia do terreno;
- Possibilidade de inunda¸c˜oes a longo prazo;
- Medi¸c˜oes locais.
Havendo algum problema que possa comprometer o adequado perfil esperado do sis- tema de aterramento, deve-se, ent˜ao, escolher outro local.
6.2.2 Medi¸c˜oes no Local
Definido o local da instala¸c˜ao do sistema de aterramento, deve-se efetuar levantamento atrav´es de medi¸c˜oes, para se obter as informa¸c˜oes necess´arias `a elabora¸c˜ao do projeto.
Um solo apresenta resistividade que depende do tamanho do sistema de aterramento. A dispers˜ao de correntes el´etricas atinge camadas profundas com o aumento da ´area envolvida pelo aterramento. Para se efetuar o projeto do sistema de aterramento deve-se conhecer a resistividade aparente que o solo apresenta para o especial aterramento pretendido. A resistividade do solo, que espelha suas caracter´ısticas, ´e, portanto, um dado funda- mental e por isso, nesta se¸c˜ao ser´a dada especial aten¸c˜ao `a sua determina¸c˜ao. O levantamento dos valores da resistividade ´e feito atrav´es de medi¸c˜oes em campo, utilizando-se m´etodos de prospec¸c˜ao geoel´etricos, dentre os quais, o mais conhecido e utilizado ´e o M´etodo de Wenner.
6.2.3 Potencial em Um Ponto
Seja um ponto c imerso em um solo infinito e homogˆeneo, emanando uma grande corrente el´etrica I. O fluxo resultante de corrente diverge radialmente, conforme a figura abaixo.
O campo el´etrico Ep no ponto p ´e dado pela Lei de Ohm local, abaixo: Ep = ρJp
onde Jp ´e a densidade de corrente no ponto p. A densidade de corrente ´e a mesma sobre a superf´ıcie da esfera de raio r, com centro no ponto c e que passa pelo ponto p. Seu valor ´e:
Jp =
I
4 πr^2 Portanto, Ep =
ρI 4 πr^2 O potencial do ponto p, em rela¸c˜ao a um ponto infinito ´e dado por:
Vp =
r
Edr
onde dr ´e a varia¸c˜ao infinitesimal na dire¸c˜ao radial ao longo do raio r.
Vp =
r
ρI 4 πr^2
dr → Vp =
ρI 4 π
r
r^2
dr → Vp =
ρI 4 πr
O comportamento ´e idˆentico a uma imagem real sim´etrica da fonte de corrente pontual. Portanto, para achar o potencial de um ponto p em rela¸c˜ao ao infinito, basta efetuar a superposi¸c˜ao do efeito de cada fonte da corrente individualmente, considerando todo o solo homogˆeneo, inclusive o da sua imagem. Assim, para calcular o potencial do ponto p:
Vp =
ρI 4 πr 1 p
ρI′ 4 πr 1 ′p
Como: I′^ = I → Vp =
ρI 4 π
r 1 p
r 1 ′p
6.2.5 M´etodo de Wenner
Para o levantamento da curva de resistividade do solo, no local do aterramento, pode- se empregar diversos m´etodos, entre os quais:
- M´etodo de Wenner ;
- M´etodo de Lee;
- M´etodo de Schlumbeger - Palmer.
Neste trabalho ser´a utilizado o M´etodo de Wenner. O m´etodo usa quatro pontos alinhados espa¸cados, cravados a uma mesma profundidade (ver figura abaixo).
Uma corrente el´etrica I ´e injetada no ponto 1 pela primeira haste e coletada no ponto 4 pela ´ultima haste. Esta corrente, passando pelo solo entre os pontos 1 e 4, produz potencial nos pontos 2 e 3. Usando o m´etodo das imagens, desenvolvido no item anterior, gera-se a figura abaixo e obt´em-se os potenciais nos pontos 2 e 3.
O potencial no ponto 2 ´e:
V 2 =
ρI 4 π
a
a^2 + (2p)^2
2 a
(2a)^2 + (2p)^2
O potencial no ponto 3 ´e:
V 3 =
ρI 4 π
2 a
(2a)^2 + (2p)^2
a
(a)^2 + (2p)^2
Portanto, a diferen¸ca de potencial nos pontos 2 e 3 ´e:
V 23 = V 2 − V 3 =
ρI 4 π
a
(a)^2 + (2p)^2
(2a)^2 + (2p)^2
onde: R ´e a leitura da resistˆencia em Ω no Megger, para uma profundidade a; a ´e o espa¸camento das hastes cravadas no solo; e p ´e a profundidade da haste cravada no solo. As duas hastes s˜ao ligadas nos terminais P 1 e P 2. Assim, o aparelho processa interna- mente e indica na leitura, o valor da resistˆencia el´etrica. O m´etodo considera que praticamente 58% da distribui¸c˜ao de corrente que passa entre as hastes externas ocorre a uma profundidade igual ao espa¸camento entre as hastes (ver figura abaixo).
A corrente atinge uma profundidade maior, com uma correspondente ´area de dispers˜ao grande, tendo, em conseq¨uˆencia, um efeito que pode ser desconsiderado. Portanto, para efeito do M´etodo de Wenner, considera-se que o valor da resistˆencia el´etrica lida no aparelho ´e relativa a uma profundidade a do solo. As hastes usadas no m´etodo devem ter aproximadamente 50 cm de comprimento com diˆametro entre 10 a 15 mm. O material que forma a haste deve seguir as mesmas considera¸c˜oes previamente discutidas. Devem ser feitas diversas leituras, para v´arios espa¸camentos, com as hastes sempre alinhadas.
6.2.7 Cuidados na Medi¸c˜ao
Durante a medi¸c˜ao devem ser observados os itens abaixo:
- As hastes devem estar alinhadas;
- As hastes devem estar igualmente espa¸cadas;
- As hastes devem estar cravadas no solo a uma mesma profundidade; recomenda-se 20 a 30 cm;
- O aparelho deve estar posicionado simetricamente entre as hastes;
- As hastes devem estar bem limpas, principalmente isentas de ´oxidos e gorduras para possibilitar bom contato com o solo;
- A condi¸c˜ao do solo (seco, ´umido, etc.) durante a medi¸c˜ao deve ser anotada;
- N˜ao devem ser feitas medi¸c˜oes sob condi¸c˜oes atmosf´ericas adversas, tendo-se em vista a possibilidade de ocorrˆencias de raios;
- N˜ao deixar que animais ou pessoas estranhas se aproximem do local;
- Deve-se utilizar cal¸cados e luvas de isola¸c˜ao para executar as medi¸c˜oes;
- Verificar o estado do aparelho, inclusive a carga da bateria;
- Examinar a integridade da fia¸c˜ao, principalmente no tocante a isola¸c˜ao.
6.2.8 Espa¸camento das Hastes
Para uma determinada dire¸c˜ao devem ser usados os espa¸camentos recomendados na tabela abaixo.
Espa¸camentos Recomendados Espa¸camento Leitura Calculado a (m) R (Ω) ρ [Ωm] 1 2 4 6 8 16 32
Alguns m´etodos de estratifica¸c˜ao do solo, que ser˜ao vistos na se¸c˜ao seguinte, necessitam mais leituras para pequenos espa¸camentos, o que ´e feito para possibilitar a determina¸c˜ao da resistividade da primeira camada do solo.
6.2.9 Dire¸c˜oes a Serem Medidas
O n´umero de dire¸c˜oes em que as medidas dever˜ao ser levantadas depende:
- da importˆancia do local do aterramento;
- da dimens˜ao do sistema de aterramento;
- da varia¸c˜ao acentuada nos valores medidos para os respectivos espa¸camentos.
Para um ´unico ponto de aterramento, isto ´e, para cada posi¸c˜ao do aparelho devem ser efetuadas medidas em trˆes dire¸c˜oes, com ˆangulo de 60o^ entre si, ver figura abaixo.
Observa¸c˜ao (b): Se o valor da resistividade tiver o desvio abaixo de 50% o valor ser´a aceito como representativo. Observa¸c˜ao (c): Se observada a ocorrˆencia de acentuado n´umero de medidas com desvios acima de 50%, recomenda-se executar novas medidas na regi˜ao corres- pondente. Se a ocorrˆencia de desvios persistir, deve-se ent˜ao, considerar a ´area como uma regi˜ao independente para efeito de modelagem.
Com a nova tabela, efetua-se o c´alculo das m´edias aritm´eticas das resistividades remanescentes.
- Com as resistividades m´edias para cada espa¸camento, tem-se ent˜ao os valores defi- nitivos e representativos para tra¸car a curva ρ x a, necess´aria ao procedimento das aplica¸c˜oes dos m´etodos de estratifica¸c˜ao do solo, assunto este, espec´ıfico da se¸c˜ao seguinte.
6.2.11 Exemplo Geral
Para um determinado local, sob estudo, os dados das medi¸c˜oes de campo, relativos a v´arios pontos e dire¸c˜oes, s˜ao apresentados na tabela abaixo.
Medi¸c˜oes em Campo Espa¸camento a (m) Resistividade El´etrica Medida (Ωm)
- 1 2 3 4 5 2 340 315 370 295 350 4 520 480 900 550 490 6 650 580 570 610 615 8 850 914 878 905 1010 16 690 500 550 480 602 32 232 285 196 185 412
A seguir, apresenta-se uma tabela com o valor m´edio de cada espa¸camento e o desvio relativo de cada medida, calculados a partir da tabela anterior.
Determina¸c˜ao de M´edia e Desvios Relativos Espa¸camento Desvios Relativos (%) Resistividade Resistividade M´edia a (m) M´edia (Ωm) C´alculada (Ωm)
- 1 2 3 4 5 * * 2 1,7 5,6 10,77 11,67 4,79 334 334 4 11,56 18,36 53,06 6,46 16,66 558 510 6 7,43 4,13 5,78 0,82 1,65 605 605 8 6,73 0,28 3,66 0,70 10,81 911,4 911, 16 22,25 11,41 2,55 14,95 6,66 564,4 564, 32 11,45 8,77 25,19 29,35 57,25 262 224,
Observando-se a tabela anterior, constata-se duas medidas sublinhadas que apresen- tam desvio acima de 50%. Elas devem, portanto, ser desconsideradas. Assim, refaz-se o c´alculo das m´edias, para os espa¸camentos que tiverem medidas rejeitadas. As demais m´edias s˜ao mantidas. Vide ´ultima coluna da tabela anterior. Os valores representativos do solo medido s˜ao os indicados na tabela a seguir.
Resistividade do Solo Espa¸camento Resistividade a (m) (Ωm) 2 334 4 510 6 605 8 911, 16 564, 32 224,
