sistema de aterramento aplicada.pdf

7/23/2019 Sistema de Aterramento Aplicada.pdf

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Um sistema de aterramento projetado e montadocorretamente um dos requisitos fundamentais para o bomfuncionamento de um sistema eltrico, principalmente noque diz respeito a confiabilidade e segurana.

Esse sistema tem a funo principal de :

- fazer com que a resistncia de terra tenha valores osmnimos possveis, para escoar as correntes de falta a terra;

- fazer com que os potenciais produzidos pela passagemda corrente de falta, fiquem dentro dos limites de segurana,evitando danos a pessoas e animais;

- tornar os equipamentos de proteo mais sensveis,fazendo com que as correntes de fuga a terra sejam isoladasrapidamente;

- permitir um escoamento seguro das correntes dedescarga atmosfrica;

- eliminar as cargas estticas geradas nas carcaas dosequipamentos.

Para iniciarmos o estudo de elaborao do projeto de umsistema de aterramento necessitamos conhecer aresistividade do solo, bem como suas caractersticasprincipais no que diz respeito ao tipo ou tipos de solo, suaestratificao em camadas, teor de umidade, temperaturaetc.

A resistividade do solo varia significativamente com aelevao da umidade. A quantidade maior de gua faz comque os sais presentes no solo, se dissolvam, formando ummeio eletroltico favorvel passagem de corrente inica.

A partir destas consideraes j podemos concluir que osaterramentos melhoram suas caractersticas nos perodos dechuva e pioram nos perodos de seca.

A temperatura tambm influencia na variao deresistividade do solo. Verifica-se no que se refere somente atemperatura que o valor da resistividade no varia muitoentre as temperaturas de 10 a 60C, porm aumenta seuvalor significativamente quando esta temperatura chegaprximo a 100C, onde o estado de vaporizao deixa o solomais seco, com formao de bolhas internas, dificultando aconduo de corrente. Essa resistividade aumenta tambmbruscamente e de maneira significativa quando atemperatura fica abaixo de zero, tendo em vista que com ogelo ocorre uma mudana brusca no estado de ligao entreos grnulos que formam a concentrao eletroltica, tornadoo solo mais seco.

No que diz respeito ao tipo de solo e sua estratificao,

sabemos que na sua grande maioria os solos no sohomogneos, mas sim formados por diversas camadas de


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resistividade e profundidade diferentes. Essas camadas,devido formao geolgica, so normalmente horizontais eparalelas superfcie do solo. Esta variao da resistividadenas diversas camadas do solo provoca variao na dispersoda corrente de defeito ou de descarga, e deve ser levada emconsiderao no projeto do sistema de aterramento.

LIGAO TERRA DE EQUIPAMENTOS E PARTESMETLICAS

Ao ocorrer um curto circuito ou fuga de corrente para a terra,espera-se que a corrente seja elevada o suficiente para que aproteo atue, eliminando o defeito o mais rpido possvel.Enquanto a proteo no atua, a corrente de defeito escoapara o solo, e gera potenciais distintos nas massas metlicase superfcies do solo.

Para termos um sistema seguro e eficiente, devemos aterrartodas as partes metlicas sujeitas a um eventual contatocom as partes energizadas, para que em caso de algumdefeito, o sistema estabelea um curto circuito fase terra,elevando a corrente a valores tais que provocaro a atuaoda proteo, desenergizando o sistema.

Devemos portanto efetuar a ligao dos equipamentoseltricos a um aterramento o melhor possvel, dentro dascondies do solo, de modo que a proteo seja sensibilizadao mais rpido possvel, e os potenciais de toque e passofiquem abaixo dos limites crticos de fibrilao ventricular do

corao humano.O sistema de aterramento basicamente pode ser feitoatravs de uma simples haste, de diversas hastesinterligadas (alinhadas, em tringulo, em crculo etc.), complacas de material condutor, fios ou cabos estendidos ou deoutras formas previstas em norma. A escolha do sistema deaterramento depende do tamanho, tenso, importncia ecaractersticas do sistema. O sistema mais eficiente quandoo aterramento realizado atravs de uma malha de terra.

O projeto de um sistema de aterramento deve seguirbasicamente as seguintes etapas:

a) Definir o local de aterramento;

b) Realizar varias medies da resistividade do solo no localprevisto;

c) A partir dessas medies realizar a estratificao do solocom suas respectivas camadas;

d) Definir o tipo de sistema de aterramento necessrio;

e) Calcular a resistividade aparente do solo;


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f) Dimensionar o sistema de aterramento, levando emconsiderao a sensibilidade dos rels, e os limites desegurana pessoal, isto , da fibrilao ventricular docorao.

MEDIO DA RESISTIVIDADE DO SOLO

O ponto inicial do nosso processo a definio do local ondeser feito o sistema de aterramento. Esta definio deve seranalisada cuidadosamente caso a caso, levando-se emconsiderao as caractersticas do sistema eltrico que seraterrado, a disponibilidade de local, as caractersticaseconmicas do projeto, a segurana das pessoas, apossibilidade de inundao do terreno e as medidaspreliminares realizadas no local.

O solo apresenta resistividade que depende do tamanho do

sistema de aterramento. A disperso da corrente eltricaatinge camadas profundas com o aumento da rea envolvidapelo aterramento.

Para efetuar o projeto do sistema de aterramento deve-seconhecer a resistividade aparente que o solo apresenta. Olevantamento destes valores de resistividade feito atravsde medies em campo, utilizando mtodos de prospecogeoeltrico. Os mtodos mais conhecidos so mtodo deWenner, mtodo de Lee e mtodo de Schlumberger - Palmer.Em nossos estudos optaremos pelo mtodo de Wenner.

MTODO DE WENNEREste mtodo utiliza um Megger (Terrmetro / Telurmetro)para medir os valores de resistncia necessrios para oclculo de resistividade do solo. Este instrumento possu doisterminais de corrente e dois de potencial. As medidas sorealizadas fazendo circular, por meio da fonte interna doaparelho, uma corrente eltrica entre as duas hastesexternas que esto conectadas aos terminais de corrente C1e C2. O aparelho indica na leitura o valor da resistnciaeltrica medido entre as hastes ligadas aos terminais depotencial P1 e P2. A resistncia medida pode ser expressapela formula abaixo:

R = VP1/P2 = [ 1 + . 2 . - . 2 .]

I 4 a a2+ (2p)2 (2a)2+ (2p)2

R = Leitura da resistncia em no Megger para umaprofundidade a

a = Espaamento das hastes cravadas no solo

p = Profundidade das hastes cravadas no solo


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Este mtodo considera que praticamente 58% da distribuiode corrente que passa entre as hastes externas ocorre a umaprofundidade igual ao espaamento entre as hastes. Acorrente na verdade atinge uma profundidade maior, pormneste caso sua disperso muito grande, e seu efeito podeser desconsiderado. Portanto podemos considerar para estemtodo que o valor da resistncia medida relativa a

profundidade a do solo.

Para se efetuar uma medio correta deve-se tomar algunscuidados, conforme abaixo:

- as hastes devero ter aproximadamente 50 cm decomprimento com dimetro entre 10 e 15 mm;

- durante a medio as hastes devero estar sempre

alinhadas, igualmente espaadas , cravadas


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a uma mesma profundidade (20 a 30 cm) e bem limpas,isentas de oxidos ou gorduras;

- o aparelho e a carga da bateria devero estar em boascondies, e durante a medio ele dever

estar posicionado simetricamente entre as hastes;

- as condies do solo devero ser levadas em considerao(seco ou mido);

- por questes de segurana no devem ser realizadasmedies em dias que houver riscos de

descargas atmosfricas, no deixar que pessoas estranhasou animais se aproximem do local e

utilizar calados e luvas de isolao para executar asmedies.

Para uma medio correta da resistividade do solo, devemos

em cada direo considerada efetuar diversas medies,sendo recomendado para a os seguintes espaamentos 1 ;2 ; 4 ; 6 ; 8 ; 16 e 32, onde teremos a leitura dos diversovalores de resistncia em ohms e poderemos ento calcularos valores de resistividade em ohms metro de acordo com aformula abaixo:

= . 4 a R . [ . m ]1 + . 2a . - . 2a .

a2 + (2p )2 (2a)2 + (2p)2

Para a >20p esta frmula pode ser reduzida a :

= 2 a R [ . m ] FORMULA DE PALMER

O nmero de direes em que as medidas devero serrealizadas depende da importncia e das dimenses dosistema de aterramento, e das variaes dos valoresencontrados durante as medies. Para cada ponto doaterramento, ou posio do aparelho, recomenda-se efetuarmedidas em trs direes, com ngulo de 60 entre si. Nocaso de subestaes deve-se efetuar medidas em vriospontos, cobrindo toda a rea da malha pretendida.

Aps a medio, devemos juntar os dados em uma tabela, eavaliar quais devero ser considerados e quais devero serdesprezados. Essa avaliao dever ser realizada da seguinteforma:

a) Calcular a mdia aritmtica dos valores de resistividadecalculados para cada espaamento;

b) Com base nessas mdias calcular a diferena entre cadavalor de resistividade e a mdia de seu

espaamento;

c) Desprezar todos os valores de resistividade que tenham

desvio maior que 50% em relao a mdia


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Todos os valores com desvio abaixo de 50% seroaceitos;

d) Caso seja observado um elevado nmero de desviosacima de 50%, recomenda-se realizar novas

medidas no local. Se a ocorrncia dos desvios persistir,

deveremos considerar esta regioindependente para efeito de modelagem;

e) Com os dados j analisados, calcula-se novamente amdia aritmtica das resistividades

remanescentes;

f) Com as resistividades mdias para cada espaamento,tem-se os valores definitivos para traar

a curva x a , necessria ao procedimento das aplicaesdos mtodos de estratificao do solo.

ESTRATIFICAO DO SOLO

Os solos em funo de sua prpria formao geolgica,podem ser representados atravs de um modelo formado porcamadas horizontais estratificadas.

A resistividade de cada camada, bem como a suaprofundidade podem ser determinadas atravs de diversos

mtodos de estratificao do solo, conforme abaixo:

- Mtodo de Estratificao de Duas Camadas

- utilizando curvas

- utilizando tcnicas de otimizao

- utilizando simplificaes

- Mtodo de Pirson para estratificao do solo em vrias

camadas


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- Mtodo Grfico de Yokogawa para estratificao do soloem vrias camadasPara efeito de nossos estudos aplicaremos o Mtodo deestratificao do solo em duas camadas, utilizando curvas.Os demais mtodos seguem mais ou menos a mesma linhade raciocnio, e podero ser utilizados conforme as

necessidades ou convenincias.

MTODO DE DUAS CAMADA UTILIZANDO CURVAS

Com base no processo de medio de resistividade do soloestabelecido pelo Mtodo de Wenner, podemos chegar aexpresso que relaciona a resistividade do solo para umadistncia a entre os eletrodos com a resistividade do soloda primeira camada, conforme abaixo :

(a) = 1 + 4 [ . Kn . - . Kn. ]

1n=1

1 + (2n h )

2

4 + (2n h )

2

a a

(a) = Resistividade para eletrodos a uma distncia a

1 = Resistividade da primeira camada

h = Profundidade da primeira camada

a = Distncia entre os eletrodos

K = Coeficiente de reflexo definido por :

2 - 1K = . 2 - 1 = . 1 .

2 + 1 2 + 11

2 = Resistividade da segunda camada

Analisando a expresso verificamos que a variao docoeficiente de reflexo limitado entre -1 e +1.


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Tendo em vista a pequena variao de valores do coeficientede reflexo K, possvel traar uma famlia de curvastericas em funo de valores das relaes (a)/1 e h/a.

Apresentamos as curvas traadas para K variando na faixanegativa, isto , curva (a) x a descendente e para Kvariando na faixa positiva, com curva (a) x a ascendente.

Com base nas curvas e equaes, podemos agoraestabelecer um procedimento de calculo para definir aestratificao do solo em duas camadas :

1) Traar a curva (a) x a com os dados obtidos pelomtodo de Wenner;

2) Prolongar a curva traada at cortar o eixo das ordenadas.

Neste ponto lido diretamente o valor de 1 , resistividadeda primeira camada. Para facilitar este processo, devemosefetuar vrias medidas pelo Mtodo de Wenner parapequenos espaamentos;

3) Um valor de espaamento a1 escolhidoarbitrariamente, e levado na curva para obter-se ocorrespondente valor de (a1).

4) Pelas caractersticas da curva traada conforme item 1,determinamos o sinal de K. Para curva descendente K sernegativo, e calcularemos (a1)/1. Para curva ascendente Kser positivo, e calcularemos 1/(a1).

5) Com os valores calculados acima, entramos nas curvastericas correspondentes e encontramos vrios valores deh/a para os diversos valores de K. Estes vrios valoresencontrados so colocados em uma tabela especfica.

6) Na seqncia multiplica-se cada valor de h/a encontradopelo valor de a1, resultando vrios valores de h para cadaK correspondente.

7) Traamos agora uma curva K x h dos vrios valoresobtidos.


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8) Um segundo valor de espaamento a2 diferente de a1novamente escolhido, e todo o processo repetido,resultando numa nova curva K x h.

9) Traamos a nova curva no mesmo grfico da curvaanterior.

10) A interseco das duas curvas K x h num dado pontoresultar nos valores reais de K e h, definindo desta forma aestratificao.

SISTEMAS DE ATERRAMENTO

UMA HASTE VERTICAL

Uma haste cravada verticalmente em um solo homogneo,tem uma resistncia eltrica que pode ser determinada pelafrmula:

R1 haste= a . ln ( 4 L ) []2L d

Onde:

a = resistividade aparente do solo [.m]

L = comprimento da haste [m]

d = dimetro do crculo equivalente rea da secotransversal da haste [m]

Nos sistemas de aterramento raramente uma nica haste osuficiente para chegarmos ao valor da resistncia desejada.Analisando a frmula acima, verificamos que as alternativaspara melhorarmos este valor de resistncia soaumentarmos o dimetro da haste (limitaes tcnicas, ebaixa relao custo-benefcio), colocarmos mais hastes emparalelo, aumentarmos o comprimento da haste, reduzirmosa resistividade aparente do solo utilizando tratamentoqumico.

Alm da resistncia de terra dada pela frmula acima, temosoutros elementos que compe o valor final da resistncia dosistema de aterramento, conforme abaixo :

- resistncia da conexo do cabo de aterramento aoequipamento a ser aterrado;

- impedncia do cabo entre o equipamento e o sistemade aterramento;

- resistncia da conexo do cabo ao sistema de

aterramento;


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- resistncia do material que forma o sistema deaterramento;

- resistncia de contato desse material com a terra;

- resistncia de terra do sistema de aterramento.

Dos itens relacionados acima a resistncia de terra possu omaior valor, assumindo maior importncia, j que dependede fatores como a resistividade do solo, condies climticasetc. dos quais no temos muitas vezes o controle. Os demaisitens atingem valores menores e so mais fceis de seremcontrolados.

INSTALAES DE HASTES EM PARALELO

A instalao de hastes em paralelo, reduzem

significativamente o valor final da resistncia deaterramento. Esta reduo no segue simplesmente a lei deresistncias em paralelo, em funo da interferncia queocorre entre as zonas equipotenciais de cada haste,conforme abaixo.

Esta zona de interferncia entre as linhas equipotenciaiscausa uma rea de bloqueio do fluxo da corrente de cadahaste, resultando uma maior resistncia de terra individual.Como a rea de disperso efetiva da corrente de cada hastetorna-se menor, a resistncia de cada haste dentro do

conjunto aumenta. Isto faz com que ao instalarmos duashastes em paralelo o resultado final seja um valor de


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resistncia menor que aquele para uma haste, porm maiorque o valor da resistncia para uma haste dividido por dois.

Verifica-se que se aumentarmos o espaamento entre ashastes essa interferncia diminui, porm um aumento muitogrande torna-se economicamente invivel. Utilizamosnormalmente um espaamento em torno do comprimento dahaste, comum utilizar-se esse espaamento em torno dostrs metros.

Para chegarmos ao valor da resistncia de terra de umsistema com vrias hastes, necessitamos a partir do valorcalculado para uma haste, chegar ao valor da resistnciaequivalente para o conjunto das hastes, que dado pela

formula a seguir:

n

Rh= Rhh + Rhm (m diferente de h)m=1

Rh = Resistncia apresentada pela haste h inserida noconjunto considerando as interfernciasdas outras hastes;

n = Nmero de hastes paralelas

Rhh = Resistncia individual de cada haste sem a presenade outras hastes (formula anterior)

Rhm = Acrscimo de resistncia na haste h devido interferncia mtua da haste m

Rhm = a . ln [ (bhm+ L)2 - ehm

2]4L ehm2- (bhm - L)2

ehm = Espaamento entre a haste h e a haste m em

metros


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L = Comprimento da haste em metros

bhm = L2+ ehm2

Nos sistemas normais de aterramento empregam-se hastes

iguais, o que facilita o clculo da resistncia equivalente.

Fazendo o clculo para todas as hastes do conjunto (Rh) tem-se os valores da resistncia de cada haste:

R1 = R11 + R12 + R13 + ... + R1n R2 = R12 + R22 + R23 + ... + R2n : :

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

Determinada a resistncia individual de cada haste dentro doconjunto, j considerados os acrscimos ocasionados pelasinterferncias, a resistncia equivalente das hastesinterligadas ser a resultante do paralelismo destas.

1 = 1 + 1 + ... + 1 . Req R1 R2 Rn

Tendo o valor da resistncia equivalente do conjunto

podemos calcular o ndice de aproveitamento ou ndice dereduo (K), que definido com a relao entre essaresistncia (Req) e a resistncia individual de cada haste sema presena de outras hastes.

K = . Req.R1 haste

Essa expresso indica que a resistncia equivalente doconjunto de hastes em paralelo K vezes o valor daresistncia, caso o sistema fosse montado com apenas umahaste isolada.Para facilitar os processos de calculo os valores de K sotabelados, ou obtidos de curvas.

INSTALAO DE HASTES PROFUNDAS

Neste tipo de montagem, procura-se diminuir o valor daresistncia de terra, com o aumento do comprimento L dahaste. O aumento do comprimento da haste faz com que nainstalao do sistema apaream outros fatores que ajudam a

melhorar ainda mais a qualidade do aterramento. Estesfatores so :


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- Aumento do comprimento da haste;

- Menor resistividade do solo nas camadas maisprofundas;

- Condio de gua presente e estvel ao longo dotempo;

- Condio de temperatura constante e estvel ao longodo tempo;

- Produo de gradientes de potencial maiores no fundodo solo, tornado os potenciais de passo nasuperfcie praticamente desprezveis.

A execuo deste sistema pode ser feita de duas maneiras:

- BATE ESTACA - onde as hastes so emendveis, possuindorosca nos extremos, e so cravados uma a uma no solo porbate estacas. Dependendo do terreno possvel, por esteprocesso, chegar a 18 metros de profundidade.

- MOTO PERFURATRIZ - neste caso cavado um buraco,onde introduzido uma nica haste soldada a um fio longoque a interliga com o sistema a ser aterrado. Recomenda-setambm introduzir no buraco, juntamente com a hastelimalha de cobre. Esta limalha ao penetrar no solo, facilita adisperso da corrente, obtendo uma menor resistncia

eltrica do sistema. Por este processo consegue-se,dependendo das caractersticas do solo, chegar at 60metros de profundidade.

TRATAMENTO QUMICO DO SOLO

O tratamento do solo com algum tipo de produto qumico,tem a finalidade de diminuir a resistncia de aterramento deuma malha, com a alterao da resistividade do solo. Estetipo de procedimento no deve ser realizado de maneiraindiscriminada, mas deve somente ser aplicado em sistemasonde no se atingiu o valor da resistncia desejada, e no possvel alterar o seu local de instalao e alterao dascaractersticas da malha de terra atravs do aumento donmero de cabos, hastes etc. no possvel mais ser feito, invivel economicamente ou no atinge resultadossatisfatrios.

O produto a ser utilizado neste tipo de tratamento deveatender a algumas recomendaes importantes, como a deno causar danos natureza, no ser txico, alm de serquimicamente estvel, possuir baixa resistividade eltrica,no causar corroso nos elementos do aterramento, no serconsumido com a chuva, porm ter a capacidade de reter

umidade.


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Apresentamos dois produtos que podem ser utilizados paraeste tipo de tratamento:

- EARTHRON - que um produto lquido de lignosulfato(principal componente da polpa da madeira) mais umagente geleificador e sais inorgnicos. Tem como principais

caractersticas no ser solvel em gua, no ser corrosivo,ser quimicamente estvel, reter umidade, ter longo perodode atuao no solo, e ser de fcil aplicao.

- GEL - uma mistura de diversos sais, que em presena degua formam o agente ativo do tratamento. Este umproduto quimicamente estvel, no solvel em gua, higroscpico, no corrosivo, possu longo perodo deatuao no solo, e no atacado pelos cidos contidos nosolo.

A relao entre a resistncia do solo medida antes do

tratamento qumico e o valor obtido aps este tratamento chamada de coeficiente de reduo. Este valor pode serprevisto para o Gel, considerando a faixa provvel,determinada pelo grfico a seguir.

Kt= Rcom tratamento Rsem tratamento

A resistncia de terra varia com o tempo, influenciada pelas

caractersticas climticas e do solo da regio. Este tipo detratamento qumico tem uma vida til determinada, devendoportanto ser realizado um acompanhamento freqente davariao desta resistncia, e ser realizado novo tratamentoto logo se constate esta necessidade (vida til conforme oproduto varia de 2 a 5 anos).

Tendo em vista que a funo principal do tratamento qumico reter a gua para diminuir a resistncia da terra, pocas desecas podem alterar significativamente a atuao dotratamento. Nestas pocas recomenda-se molhar a terra quecontm a malha.


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Em terrenos extremamente secos, pode-se concretar oaterramento. O concreto tem a propriedade de manter aumidade, e sua resistividade est entre 30 e 90 m.

RESISTIVIDADE APARENTE

A resistncia final de uma malha de terra depende dageometria desta malha e da resistividade do solo vista pelamesma em funo de sua integrao com o este solo,considerando a profundidade atingida pelo escoamento dascorrentes eltricas. Se colocarmos um sistema deaterramento com a mesma geometria em solos com camadasdiferentes, teremos valores de resistncia de terra distintos.

A passagem da corrente eltrica do sistema de aterramentopara o solo depende da composio do solo com suasdiversas camadas, da geometria do sistema de aterramento

e do tamanho deste sistema.

Para podermos calcular a resistividade do solo considerandoa sua integrao com a malha, necessitamos definirresistividade aparente.

Resistividade aparente o valor de resistividadeconsiderando como se o solo fosse homogneo, e que produzcomo resultado um valor de resistncia de terra igual ao dosistema de aterramento real com vrias camadas.

A resistividade aparente de uma haste cravada verticalmente

em um solo com vrias camadas dada pela frmulaconhecida como frmula de Hummel.

FRMULA DE HUMMEL

a = L1 + L2L1 + L21 2

Vemos portanto que o calculo da resistividade aparente deum sistema de aterramento efetuado considerando o nvel


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de penetrao da corrente de escoamento num solo de duascamadas. Logo, caso tenhamos um solo com muitascamadas, este deve ser reduzido pelo mtodo apropriado aum solo de duas camadas.

A resistividade aparente calculada como o produto do fator

N pela resistividade da primeira camada para solos de duascamadas ou pela resistividade equivalente para solo devarias camadas. Este fator N tirado da curva desenvolvidapor Endrenyi, onde () coeficiente de penetrao o eixo dasabcissas e () coeficiente de divergncia a curvacorrespondente.

= . r . = n+1 (2) deq (1) eq (1)deq (1) = espessura da primeira camada equivalente

n+1 (2)= resistividade da ltima camada

eq (1) = resistividade da primeira camada equivalente

r = raio do anel equivalente do sistema de aterramentoconsiderado

Para hastes alinhadas e igualmente espaadas r = (n - 1) .e

2Outras configuraes r = A

Dn = nmero de hastes cravadas verticalmente no solo

e = espaamento entre as hastes

A= rea abrangida no aterramento

D = maior dimenso do aterramento. (em uma malharetangular a maior dimenso a diagonal)

A partir dos valores de () e () definidos acima, podemosencontrar no grfico de Endrenyi o valor de N.

N = a a = N. eq eq

DIMENSIONAMENTO COMPLETO DE UMA MALHA DEATERRAMENTO

O dimensionamento correto de uma malha de aterramentodeve atender principalmente os seguintes requisitos:

- fazer com que os potenciais que surjam na superfciequando da ocorrncia do mximo defeito terra, sejaminferiores aos mximos potenciais de passo e toque que uma


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pessoa pode suportar sem a ocorrncia de fibrilaoventricular:

- o condutor da malha dever suportar os esforos mecnicose trmicos a que estaro sujeitos ao longo de sua vida, emfuno das altas correntes de defeito que circularo por esta

malha;

- a resistncia de terra da malha dever ser compatvel como sistema de proteo permitindo que o rel deneutro atue com segurana em caso de defeitos para a terra;

O processo de calculo da malha basicamente um processoiterativo, partindo-se para efeito de calculo de uma malhainicial, e verificando se os potenciais na superfcie estodentro dos limites de segurana. Caso isto de confirme parte-se para o detalhamento da malha, ou caso contrario,modifica-se o projeto inicial at se estabelecer as condies

exigidas.

Antes de iniciarmos o processo de calculo, deveremos terem mos uma srie de dados e definies conforme abaixo:

- Fazer no local onde ser executada a malha de aterramentoas medies de resistividade do solo pelomtodo de Wenner, para podermos obter posteriormente aestratificao do solo;

- Definir a resistividade superficial do solo. comum seutilizar pedra brita na superfcie sobre a malha

de terra, formando uma camada mais isolante, que contribuipara a segurana humana. Nestes casos, utilizamos ovalor da resistividade da brita molhada (s = 3000 .m),

e fazemos as devidas correes para o restantes dosclculos onde isto vier a influenciar. Caso no seutilize brita, utiliza-se como resistividade superficial o valorda resistividade da primeira camada obtida daestratificao;

- Obter o valor da corrente mxima de curto circuito entrefase e terra no local do aterramento (Imaxima=3 I0);

- Deve-se verificar o percentual correto da corrente de curtocicuito mxima que realmente escoa pela malha. Deve-seobservar os diversos caminhos pelos quais a corrente deseqncia zero pode circular.

- Tempo de defeito para a mxima corrente de curto cicuitofase terra, equivalente ao tempo de atuao do sistema deproteo;

- Definio da rea da malha pretendida;

- Definio do mximo valor de resistncia de terra de modo

a ser compatvel com a sensibilidade do sistema de proteo.


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A partir destes dados podemos iniciar nosso processo decalculo, seguindo um roteiro conforme abaixo:

ESTRATIFICAO DO SOLO

Com base nas medies realizados no local, montamos ummodelo de solo estratificado.

RESISTIVIDADE APARENTE

Com base na estratificao do solo, e nas caractersticas damalha que estamos dimensionando, determinamos o valor daresistividade aparente do solo, conforme metodologia jestudada.

DIMENSIONAMENTO DO CONDUTOR DA MALHA

Este condutor dimensionado considerando os esforosmecnicos e trmicos que ele pode suportar.

Quanto ao dimensionamento mecnico, na pratica, utiliza-seno mnimo o condutor 35 mm2 , que suporta os esforosmecnicos de movimentao do solo e dos veculos quetransportam os equipamentos durante a montagem dasubestao.

Quanto ao dimensionamento trmico, utiliza-se a frmula de

Onderdonk, vlida somente para cabos de cobre, queconsidera o calor produzido pela corrente de curto cicuitototalmente restrito ao condutor.

I = 226,53 Scobre . 1 . ln ( m - a + 1)

tdefeito 234 + aScobre = seo do condutor de cobre da malha de terra emmm2

I = corrente de defeito em ampres, atravs docondutor

tdefeito= durao do defeito em segundos

a = temperatura ambiente em C

m = temperatura mxima em C que determinada emfuno do tipo de conexo utilizada

Conexo cavilhada com junta de bronze, conexotradicional de aperto por presso =temperatura mxima 250C


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Solda convencional feita por eletrodos revestidos,atravs de maquinas de solda =

temperatura mxima 450C

Solda exotrmica cuja conexo feita pela fusoobtida pela ignio e combusto dos

ingredientes no cadinho = temperatura mxima 850C

Para dimensionamento do cabo da malha, leva-se emconsiderao que a corrente de defeito dividida no ponto de

ligao com o cabo de descida, em duas parte iguais,escoando metade para cada lado. Para efeito dedimensionamento considera-se um acrscimo de 10%, isto ,dimensiona-se os cabos para no mnimo 60% da correntemxima de curto circuito.

Para o caso do cabo de ligao considera-se que por elepassa a corrente mxima de curto circuito, e que a conexo feita de junta cavilhada, sendo portanto a temperaturamxima considerada igual a 250C.

Apresentamos abaixo uma tabela simplificada nos dando a

bitola do condutor em funo do tempo de defeito e do tipode emenda, para cada unidade da corrente de defeito.

CAPACIDADE DO CONDUTOR DE COBRE EM (mm2/kA)

TEMPO DE DEFEITO (SEG) 0,5 1 4 30

SOLDA EXOTRMICA 2,44 3,45 6,84 18,74SOLDA CONVENCIONAL 3,20 4,51 9,07 24,83JUNTA CAVILHADA 4,05 5,78 11,50 31,52


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POTENCIAIS MXIMOS A SEREM VERIFICADOS

A malha de aterramento s poder ser aceita se na superfciedo solo sobre a malha, quando da ocorrncia do maiordefeito fase terra, os potenciais de toque e de passo forem

menores que os mximos permitidos. Estes mximospermitidos so calculados pelas formulas abaixo, e so taisque ao produzirem correntes no ser humanos, estascorrentes no produzam fibrilao ventricular do corao.

O potencial de toque mximo dado pela expresso abaixo:

Vtoque mximo = (1000 + 1,5 s) 0,116 (Volts)t

O potencial de passo mximo dado pela expresso :

Vpasso mximo= (1000 + 6 s) 0,116

tt = tempo de durao do choque (s) s =resistividade superficial

Caso a superfcie sobre a malha seja revestida de brita, osvalores acima devero se corrigidos segundo as formulasabaixo:

Cs = . 1 . [ 1 + 2 . Kn . ]0,96 n=1 1 + (2n hs . )2

0,08hs = espessura da brita (m)

K = a - sa +s

a = resistividade aparente da malha sem considerar a brita

s = brita = resistividade da brita = 3000 m

Assim as expresses corrigidas ficaro da seguinte forma :

Vtoque mximo= (1000 + 1,5 Cs . s) 0,116 t

Vpasso mximo= (1000 + 6 Cs . s) 0,116 t

MALHA INICIAL

O processo de dimensionamento da malha um processoiterativo, onde partimos de um projeto inicial, comdimenses da malha, espaamentos e colocao de hastes deterra pr definidas. Com isto, calculamos os potenciais quesurgem na superfcie da malha, bem como a resistncia deaterramento resultante, comparamos com os valores ideais,fazemos os ajustes necessrios. Um espaamento tpicoadotado est entre 5 e 10% do comprimento total de cadalado da malha.


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Iremos considerar sempre em nossas formulas que a malha formada por quadrados, isto , eaeb.A partir das dimenses da malha determinamos os nmerosde condutores paralelos ao longo dos lados da malha :

Na= a . + 1 Nb = b . + 1ea eb

Escolhe-se o nmero inteiro, adequado ao resultado doclculo acima.

O comprimento total dos condutores que formam a malha dado pela expresso :

Lcabo = a Nb + b Na

Caso se opte por introduzir hastes de terra na malha, deve-se acrescentar seus comprimentos na determinao docomprimento total de condutores na malha :

Ltotal= Lcabo + LhastesRESISTNCIA DE ATERRAMENTO DA MALHA

A resistncia de aterramento da malha pode ser calculadaaproximadamente pela frmula de Sverak, conforme abaixo :

Rmalha = a [ . 1 . + . 1 . ( 1 + . 1. ) ]

Ltotal 20 Amalha 1 + h . 20 . AmalhaAmalha= a.b = rea ocupada pela malha em m

2

h = profundidade da malha em metros, deve variar entre0,25 e 2,5mLtotal = comprimento total dos cabos e hastes que formam amalha em metros.

O valor de resistncia obtido com a frmula dever ser

menor do que a mxima resistncia limite da sensibilidade dorel de neutro.


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POTENCIAL DA MALHA

O potencial da malha definido como o potencial de toquemximo, encontrado dentro de uma submalha da malha deterra, quando do mximo defeito fase-terra. Numa malha deterra, a corrente de defeito escoa preferencialmente pelas

bordas da malha.Isto se d, devido interao entre os condutores no interiorda malha que foram o escoamento da corrente pelas bordasda malha. Assim, o potencial de malha mximo se encontranos cantos da malha e pode ser calculado pela expresso:

Vmalha= a Km Ki Imalha LtotalKm o coeficiente de malha que considera a influncia daprofundidade da malha, dimetro do condutor e oespaamento entre os condutores.

Km = .1. { ln [ . e2

. + ( e + 2h )2

- .h.] +Kii ln . 8 . }2 16hd 8ed 4d

Kh (2N - 1)h = profundidade da malha [m]e = espaamento entre condutores paralelos ao longo dolado da malha [m]d = dimetro do condutor da malha [m]N = NaNb = a malha retangular transformada numamalha quadrada com N condutores paralelos em cada lado.Kii = 1 = para malha com hastes cravadas ao longo dopermetro ou nos cantos da malha ou ambos.

Kii = . 1 . para malha sem hastes ou com poucas nolocalizadas nos cantos ou periferia(2N)2/N

Kh = correo de profundidade Kh = 1 + hho = 1metro

hoOnde Ki definido como o coeficiente de irregularidade, quecorresponde ao efeitos da no uniformidade de distribuioda corrente pela malha

Ki = 0,656 + 0,172 N

a = resistividade aparente vista pela malhaImalha = parcela da corrente mxima de falta que realmenteescoa da malha para a terra.Ltotal = comprimento total dos condutores da malha.

No caso de malhas onde so colocadas hastes nos cantose/ou na periferia, as correntes tm maior dificuldade deescoar mais profundamente no solo, devendo-se fazer umacorreo no comprimento total da malha, considerando-se15% a mais no comprimento das hastes.


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POTENCIAL DE PASSO DA MALHA

o maior potencial de passo que surge na superfcie damalha, quando do mximo defeito fase-terra. O potencialmximo ocorre na periferia da malha, e calculado por :

VpsM = a Kp Ki Imalha LtotalKp = coeficiente que introduz no clculo a maior diferenade potencial entre dois pontos distanciados de1m. Este coeficiente relaciona todos os parmetros da malhaque induzem tenses na superfcie da terra.

Kp = 1 [ .1. + . 1 . + 1 ( 1 - 0,5N - 2) ] 2h e + h e

N = maior valor entre Na e Nb, isto nos dar o maior valorde Kpe = menor valor

Tambm neste caso se tivermos hastes instaladas naperiferia e nos cantos, deveremos considerar o comprimentototal somando ao comprimento dos cabos o comprimento dashastes com 15% de acrscimo.Este valor dever ser comparado tenso de passo mximaque o organismo humano deve suportar.

LIMITAES DAS EQUAES DE Vmalha e VpsMAs expresses acima devem obedecer a algumas limitaesquanto a determinao de alguns dados, para termos umprojeto seguro.

N 25 (nmero condutores

paralelo de cada lado)d


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MELHORIA DA MALHA

Aps o seu dimensionamento, poderemos usar algumasalternativas para melhorar ainda mais a qualidade da malhade terra :

- Fazer espaamentos menores na periferia da malha;

- Arredondar os cantos da malha para diminuir os efeitosdas pontas;

- Rebaixar os cantos;- Colocar hastes na periferia;- Colocar hastes na conexo do cabo de ligao do

equipamento com a malha;- Fazer submalhas no ponto de aterramento de bancos

de capacitores e chaves de aterramento; se no for possvelusar malha de equalizao somente neste local.

- Colocar um condutor em anel a 1,5m da malha e a1,5m de profundidade.

- Caso a malha estiver em situao muito crtica, ou

alm do seu limite de segurana, pode-se usa uma malha deequalizao, que mantm o mesmo nvel de potencial nasuperfcie do solo. uma verdadeira blindagem eltrica.

MEDIO DE RESISTNCIA DE TERRA

Esta medio relativamente simples, e tem a inteno deobter o valor da resistncia de terra de um sistema existente,no momento da medio. Este valor varia ao longo do ano, edeve-se portanto programar medies peridicas, inclusivenas pocas de chuva e seca, para termos um histrico dasvariaes durante o ano.

As correntes de curto circuito fase terra, geram componentesde seqncia zero, que em sua maioria retornam ao sistemapela terra. Esta corrente limitada pela resistncia deaterramento do sistema.

No instante do curto circuito a densidade de corrente no solojunto haste mxima. Com o afastamento, as linhas decorrente se espraiam diminuindo a densidade de corrente.Aps uma determinada distncia, o espraiamento das linhasde corrente mximo, e a densidade de correntepraticamente nula. Portanto, a regio do solo para oafastamento considerado, fica com resistncia eltricapraticamente nula.


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Rsolo= solo l S = :. Rsolo= 0S

Conclumos portanto que a resistncia de terra da haste emque est sendo feita a medio corresponde somente ao soloonde as linhas de corrente convergem.

MTODO DE MEDIO VOLT- AMPERMETRO

Este um mtodo clssico, utilizando-se conforme esquemaabaixo, um ampermetro, um voltmetro e uma fonte decorrente da ordem de alguns ampres (gerador porttil,transformador).

A = Sistema de aterramento principal;B = Haste auxiliar para possibilitar o retorno da correnteeltrica I ;


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p = Haste de potencial, que se desloca desde A at B ;x = Distncia da haste p em relao ao aterramentoprincipal A.

A curva levantada deslocando-se a haste p entre ashastes A e B.A corrente que circula pelo circuito

constante, pois a mudana da haste p no altera adistribuio de corrente. Para cada posio da haste lido ovalor de tenso no voltmetro e calculado o valor daresistncia eltrica .

R(x) = V(x) I

Deslocando-se a haste p em todo o percurso entre A e B ,tem-se a curva de resistncia de terra em relao aoaterramento principal. Na regio do patamar, tem-se o valorde RA , que o valor da resistncia de terra do sistema deaterramento principal. No ponto B, tem-se o valor da

resistncia de terra acumulada do aterramento principal e dahaste auxiliar, isto , RA+ RB.BComo o objetivo da medio obter o valor da resistncia deterra do sistema de aterramento, deve-se deslocar a haste

p at atingir a regio do patamar. Neste ponto a resistnciade terra RA dada pela expresso abaixo :

RA= Vpatamar I

MEDIO USANDO MEGGER (TERRMETRO OUTELURMETRO)

A medio de aterramento utilizando-se aparelho apropriado realizada conforme esquema abaixo :


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Os terminais C1 e P1 devem ser conectados.

O aparelho injeta no solo, pelo terminal de corrente C1, umacorrente eltrica I. Esta corrente retorna ao aparelho peloterminal de corrente C2, atravs da haste auxiliar B. Esta

circulao de corrente gera potenciais na superfcie do solo.O potencial correspondente ao ponto p processadointernamente pelo aparelho, que indicar o valorcorrespondente da resistncia neste ponto.

Durante a medio deve-se observar os seguintesprocedimentos :

- Alinhamento do sistema de aterramento principal com ashastes de potencial e auxiliar;

- A distncia entre o sistema de aterramento principal e a

haste auxiliar deve ser suficientemente grande, para que ahaste de potencial atinja a regio plana do patamar;

- O aparelho deve ficar o mais prximo possvel do sistemade aterramento principal;

- As hastes de potencial e auxiliar devem estar bem limpas,principalmente isentas de xidos e gorduras, para possibilitarum bom contato com o solo;

- Calibrar o aparelho, isto , ajustar o potencimetro e omultiplicador do MEGGER, at que seja indicado o valor zero;

- As hastes usadas devem ser do tipo Copperweld, com 1,2mde comprimento e dimetro de 16 mm;

- Cravar as hastes no mnimo 70 cm do solo;

- O cabo de ligao deve ser de cobre com bitola mnima de2,5mm2;

- As medies devem ser feitas em dias em que o soloesteja seco, para se obter o maior valor de resistncia deterra deste aterramento;

- Se no for o caso acima, devem-se anotar as condies dosolo;

- Se houver oscilaes da leitura, durante a medio,significa existncia de interferncia. Deve-se, deslocar ashastes de potencial e auxiliar para outra direo, de modo acontornar o problema;

- Verificar o estado do aparelho;

- Verificar a carga da bateria.


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Para efetuarmos a medio da resistncia de terra, levandoem considerao a segurana humana, deve-se observar osseguintes itens :

- No devem ser feitas medies sob condies atmosfricasadversas, tendo-se em vista a possibilidade de ocorrncia de

raios;

- No tocar na haste e na fiao;

- No deixar que animais ou pessoas estranhas seaproximem do local;

- Utilizar calados e luvas de isolao para executar asmedies;

- O terra a ser medido deve estar desconectado do sistemaeltrico.

sistema de aterramento aplicada.pdf

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