Capítulo VII Aspectos EMC para o sistema de aterramento – referência para

Capítulo VII Aspectos EMC para o sistema de aterramento – referência para
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O Setor Elétrico / Julho de 2009
Capítulo VII
Aspectos EMC para o sistema de
aterramento – referência para
equipamentos sensíveis
Por Roberto Menna Barreto*
No Brasil, não existe propriamente uma imposição
A
título
de
exemplo
da
importância
de
para o cumprimento de normas EMC no que se refere
normalização em EMC, existem diferentes tipos de
a produtos eletroeletrônicos de uso geral, embora
perturbação eletromagnética passíveis de ocorrer
as recomendações apresentadas pelo IEC sirvam
na rede elétrica de baixa tensão, podendo causar
de referência. No entanto, a Anatel, por intermédio
interferência eletromagnética, assim como harmônicos
da resolução nº 237, de 9 de novembro de 2000
de corrente/tensão, variações do valor eficaz de tensão,
– Regulamento para certificação de equipamentos
surtos, etc.
de
telecomunicações
quanto
aos
aspectos
de
Dentro do enfoque da diretiva européia sobre
compatibilidade eletromagnética, passou a exigir de
EMC, os níveis de perturbações eletromagnéticas
todos os fabricantes nacionais de equipamentos para
aceitáveis na rede elétrica são definidos pela
uso em telecomunicações o cumprimento de requisitos
norma EN 50160 e os níveis de imunidade dos
específicos em EMC (que refletem as especificações
equipamentos pelas normas harmonizadas – Diretiva
técnicas da Diretiva EMC). Também já estão sendo
EMC, sendo estes sensivelmente superiores aos
adotados no Brasil requisitos EMC para equipamentos
das perturbações esperadas na rede elétrica. Dessa
de eletromedicina, os quais (novamente) refletem as
forma, um equipamento eletroeletrônico para ligação
especificações técnicas da Diretiva EMC.
à rede de baixa tensão terá o seu funcionamento
Dessa forma, quando consideramos a instalação de
correto garantido, uma vez que está apto a suportar
equipamentos eletroeletrônicos compondo um sistema
os diferentes tipos de perturbações eletromagnéticas
eletrônico (instrumentação, telecomunicações, etc.) no
provenientes da rede elétrica.
Brasil, a situação que se apresenta é:
– O nível de emissão/imunidade de cada equipa­
assegurada por normalização também na instalação,
mento não está claramente definido, a menos que haja
em que as diferentes tecnologias existentes em um
a comprovação de cumprimento com normas EMC
sistema
específicas;
telecomunicações,
Esta garantia de um funcionamento correto é
eletrônico
(instrumentação,
etc.,
incluindo
automação,
redes
de
sistema
comunicações, sistemas de energia AC e DC, sistemas
eletrônico não é necessariamente o mesmo nível dos
de RF, etc.) têm de estar necessariamente interligadas
equipamentos que o compõe devido, por exemplo,
pelo sistema de aterramento. Além disso, é também a
aos cabos de interconexão que tornam o sistema mais
base para uma proteção adequada contra descargas
vulnerável à influência de perturbações radiadas;
atmosféricas e seus efeitos, favorecendo, assim, a
– Os níveis de perturbações eletromagnéticas em um
ocorrência de problemas de interferência, conforme
determinado ambiente podem diferir drasticamente
caracterizado anteriormente.
daqueles normalmente usados como referência na
elaboração das normas EMC (ambientes residenciais e
eletromagnética de um sistema eletrônico é o seu próprio
industriais).
“sistema de aterramento”, sendo a sua importância
– O
nível
de
emissão/imunidade
do
Em outras palavras, a essência da compatibilidade
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ainda maior no Brasil, uma vez que terá de compensar o tratamento
não sistemático da área EMC pela falta de uma normalização
abrangente. Muitas vezes o “sistema de aterramento” é confundido
inadvertidamente com o conceito de “malha de terra” – um baixo
valor de resistência de terra não é fundamental para EMC.
O sistema de aterramento, que deve ser visto não como um
circuito para a “equalização de potencial”, mas sim como um
circuito para favorecer o fluxo de corrente sob a menor indutância
possível, assume, assim, o principal papel em sistemas eletrônicos
e deve ser projetado no nível da instalação e do equipamento para,
em conjunto com as técnicas EMC aplicadas (blindagem, filtragem,
etc.), evitar que:
– perturbações eletromagnéticas sejam acopladas nos circuitos;
– perturbações eletromagnéticas acopladas nos circuitos possam
ocasionar avarias ou erros de funcionamento.
Aterramento ao nível da instalação
O sistema de aterramento, que é único, tem de atender a
diferentes compromissos:
– Controle de interferência eletromagnética, tanto interno
ao sistema eletrônico (acoplamento capacitivo, indutivo e por
impedância comum) como externo ao sistema (ambiente);
– Segurança, sendo a carcaça dos equipamentos ligadas ao terra
de proteção (fio verde) e, dessa forma, qualquer sinal aterrado ou
referenciado à carcaça ou ao gabinete, direta ou indiretamente, fica
automaticamente referenciado ao terra de distribuição de energia;
– Proteção contra raios, sendo os condutores de descida do
Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA)
conectados às estruturas metálicas (para evitar centelhamento)
e sistemas de eletrodos de terra interconectados com o terra de
energia, encanamentos metálicos, etc., ficando o “terra dos
circuitos” ligados ao “terra do para-raios” (via estrutura ou sistema
de eletrodos).
A consequência é que equipamentos com carcaças metálicas
ficam expostos a ruído nos circuitos de aterramento (energia e raios).
Para atender aos compromissos de segurança, proteção
contra raios e controle EMI, o sistema de aterramento ideal
seria um plano com impedância zero, no qual poderíamos
misturar os diferentes níveis de corrente destes sistemas sem
que houvesse interferência. Entretanto, o ideal não é real e
o que fazemos é simular este sistema de aterramento ideal
com os materiais disponíveis (condutores com indutâncias
e capacitâncias) por meio das configurações de aterramento
flutuante (pouco usado devido a outros fatores), por um único
ponto ou multiponto, cada uma destas apresentando vantagens
e dificuldades.
O sistema de aterramento por um único ponto caracteriza-se
por uma única tomada de terra, a partir da qual se distribui em
toda a instalação, em uma concepção de “árvore ou estrela”, isto é,
sempre abrindo, conforme ilustrado na Figura 1.
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Para equipamentos críticos (típico de data center) ou em
ambientes com maior nível de perturbações eletromagnéticas,
o sistema de aterramento multiponto é implementado por meio
de um plano de terra equipotencial (grade de cobre embutida
concreto, piso falso, chapa metálica sob carpete). Ele, por sua vez,
é conectado ao sistema de eletrodos de terra e os gabinetes dos
equipamentos são conectados a este plano.
A vantagem do sistema multiponto é que qualquer cabo, ou
condutor com ruído, conectado a um receptor por meio ou ao
longo deste cabo, terá o seu campo contido entre o cabo e o plano,
favorecendo que o ruído possa ser filtrado.
Para sistemas distribuídos (inclusive como de controle de
processos industriais), com unidades fisicamente distantes e
Figura 1 – Aterramento por um único ponto
com alimentação de diferentes fontes (tomadas, fases de linha,
transformador), faz-se o sistema de aterramento em cada local e
Esta configuração é mais apropriada para frequências baixas
aplicam-se as técnicas pertinentes para o controle de EMI radiada
e muitas vezes atende perfeitamente a sistemas eletrônicos de
ou conduzida para cada percurso de sinal, formando-se “ilhas”
alta frequência instalados em áreas reduzidas, como é o caso de
conforme representado na Figura 3.
estações de telecomunicações (shelters). Nesses ambientes, existe
um barramento de terra principal para o qual convergem todas as
referências de aterramento dos equipamentos de telecomunicações
e demais equipamentos instalados no local.
O sistema de aterramento por um único ponto deve ser isolado
de outros circuitos e não deve servir de retorno para as correntes
de sinal, as quais devem circular por condutores de sinal, por
exemplo, com par balanceado.
Vale ressaltar que, para esta simulação do aterramento ideal
com impedância zero, devemos considerar a faixa de frequência
em uso. Por exemplo, um cabo terra de 53 mm² com 30,5 m
apresenta uma impedância de 0,01 ohms em 60 Hz e cerca de 330
ohms em 1 MHz. Ou seja, às vezes empregamos expressões, assim
como “equipotencialização”, que teriam sentido somente dentro
de certos limites.
Para frequências altas, o sistema multiponto é o mais adequado,
Figura 3 – Planos “equipotenciais”
Este é o procedimento utilizado também para a proteção
conforme caracterizado na Figura 2, inclusive simplificando a
contra raios (Lightning Protection Zone – LPZ), no qual um
instalação, uma vez que, por exemplo, para os cabos coaxiais a
ambiente eletromagnético compatível com o nível de imunidade
blindagem não teria que flutuar em relação ao gabinete.
dos equipamentos instalados é favorecido. A entrada ou saída de
cada zona assim delimitada é feita por uma única porta, na qual
estariam instalados os dispositivos de proteção contra surtos, filtros,
aterramento da blindagem de cabos, etc.
Aterramento ao nível do equipamento
O sistema de aterramento naturalmente continua ao nível dos
equipamentos, indo do gabinete às placas de circuito impresso em
um único circuito.
Como o condutor de proteção (fio verde) apresenta centenas de
milivolts entre dois pontos, não serve como uma referência para a
operação de circuitos eletrônicos, que trabalham com níveis muito
baixos de sinal, sendo então necessária a criação de uma referência
(também chamada de aterramento) apropriada à operação destes
Figura 2 – Aterramento multiponto
circuitos.
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Este sistema de aterramento inerente a um equipamento
aplica, objetivando também o atendimento às normas EMC, sendo
eletrônico para referência de sinais poderá ser classificado
as trilhas de “terra” (e Vcc) as mais importantes, que é por onde
como um aterramento por um único ponto, o qual poderá ter a
fluem as correntes de sinal de todos os circuitos além do ruído em
configuração em série ou em paralelo, ou como um aterramento
alta frequência gerado na placa. Daí a grande vantagem das placas
multiponto, conforme apresentado na Figura 4.
multilayer, por apresentarem uma menor impedância característica.
Conclusão
Conforme apresentado, o sistema de aterramento constitui
um único circuito, que vai desde o subsistema de eletrodos
de terra até aos componentes em placas de circuito impresso.
O dimensionamento deste circuito (sistema de aterramento)
irá depender de diversos fatores, como as características dos
equipamentos, as faixas de frequência utilizadas, as dimensões e
topologia do sistema, as perturbações eletromagnéticas (radiadas e
conduzidas) presentes no ambiente, etc. Fatores estes que poderão
indicar a necessidade de medidas de proteção adicionais (filtragem,
blindagem, isolação, etc.) conforme a situação para este circuito
que é o sistema de aterramento.
Figura 4 – Classes de aterramento para sinais
A configuração da conexão em série, por ser a mais simples,
acaba sendo a mais utilizada e funciona corretamente desde que
os níveis de sinais dos vários circuitos sejam semelhantes. Quando
a tensão Vfio desenvolvida em um pedaço da fiação entre dois
estágios [Vfio = Zfio x (somatório das correntes que fluem neste
pedaço de fio, originárias dos vários circuitos anteriores #1, #2, #3,
etc.)] se torna significativa para a operação dos circuitos anteriores.
Estes circuitos vêem a referência de “terra” modulada por estes Vfio
que se apresentam em série, então esta configuração não é mais
apropriada e a configuração da conexão em paralelo irá solucionar
este aspecto.
Na configuração da conexão em paralelo cada condutor de
retorno tem agora a exclusividade do circuito para o qual está
referenciando, ou seja, que não existem mais correntes de outros
circuitos fluindo por eles, ou seja, uma impedância comum de
aterramento a diferentes circuitos (Zfio) como no caso anterior.
Esta configuração é apropriada desde que a faixa de frequência
seja suficientemente baixa para desprezarmos os efeitos indutivos
e capacitivos destes condutores de aterramento, quando então
estaríamos alterando a configuração para o sistema multiponto,
fazendo o comprimento dos condutores ser o menor possível.
Na prática, o que fazemos é uma “configuração mista”,
Ou seja, não existe um “pré-projeto” para a implantação de
sistemas de aterramento. Cada instalação de sistema eletrônico
(instrumentação, telecomunicações, hospitalar, automação, etc.)
tem as suas próprias particularidades inerentes ao próprio sistema
e ao local de instalação, e requer um projeto específico do
sistema de aterramento que possa garantir a operação correta dos
equipamentos instalados.
Muitas vezes o que é feito é a implantação do sistema de
aterramento baseada em somente dois ou três critérios, em lugar
de um projeto específico, tais como: a resistência de terra deve ser
inferior a 5 ohms; a configuração em estrela deve ser implementada;
deve-se evitar os “loops de terra”; deve-se fazer uma equalização
de potencial; etc. Mas, em geral, estes critérios são falhos, não são
suficientes e nem mesmo necessários.
A consequência então é um número bastante elevado de
problemas sempre que ocorre uma situação de risco, assim como
aquelas originadas por raios, por exemplo. Então se inicia uma
busca por produtos especiais, tal como um “super” Dispositivo de
Proteção contra Surtos (DPS) que possa resolver o problema. Na
verdade, o problema é de outra categoria, porque é no sistema de
aterramento que o problema precisa ser solucionado.
Dessa forma, somente um estudo abrangente, tendo em
consideração estes aspectos, poderá indicar uma solução
apropriada para o sistema de aterramento.
alternando as diferentes classes conforme a necessidade de
operação dos circuitos e segregando quanto ao nível de ruído:
“terra de sinais” para o aterramento de circuitos mais sensíveis;
“terra de ruído” para o aterramento de relés, circuitos de alta
potência; e “terra de equipamento” para o aterramento de racks,
gabinetes, etc., sendo estes três circuitos conectados ao condutor
de proteção.
Para a placa de circuito impresso, esta mesma metodologia se
* ROBERTO MENNA BARRETO é engenheiro eletricista e sóciogerente da QEMC, empresa de consultoria na área de Compatibilidade
Eletromagnética (EMC) e de proteção de instalações de sistemas
eletrônicos contra descargas atmosféricas e seus efeitos.
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