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ÍNDICE
Autores
Hilton Moreno - Engenheiro eletricista, professor da Escola de
Engenharia Mauá - SP, membro do Comitê Brasileiro de Eletricidade
da Associação Brasileira de Normas Técnicas.
Paulo Fernandes Costa - Engenheiro eletricista, professor da UFMG Universidade Federal de Minas Gerais e CEFET - MG, mestre em
1. O que é um aterramento elétrico?
2
2. O s objetivos do aterramento do sistema
3
3. P or que deve-se preferir os sistemas aterrados?
3
4. F unções básicas dos sistemas de aterramento
4
5. A lguns conceitos importantes sobre aterramento
6
6. L igação à terra
9
engenharia elétrica pela UFMG, diretor técnico da Senior Engenharia
e Serviços Ltda.
O Instituto Brasileiro do Cobre - PROCOBRE
promove campanhas de conscientização,
7. E letrodos de aterramento
11
8. A terramento e corrosão
13
9. O aterramento e os diversos sistemas de proteção
15
distribui publicações e patrocina cursos e palestras.
O cobre participa de uma vida melhor.
10. O aterramento único das instalações elétricas
36
11. B ibliografia
39
1
1. O que é um aterramento elétrico?
11. BIBLIOGRAFIA
O termo aterramento se refere à terra propriamente dita ou a uma grande massa que se
utiliza em seu lugar. Quando falamos que algo está "aterrado", queremos dizer então que,
pelo menos, um de seus elementos está propositalmente ligado à terra.
Em geral, os sistemas elétricos não precisam estar ligados à terra para funcionarem e,
de fato, nem todos os sistemas elétricos são aterrados. Mas, nos sistemas elétricos, quando
designamos as tensões, geralmente, elas são referidas à terra. Dessa forma, a terra
representa um ponto de referência (ou um ponto de potencial zero) ao qual todas as
outras tensões são referidas. De fato, como um equipamento computadorizado se
comunica com outros equipamentos, uma tensão de referência "zero" é crítica para a sua
operação apropriada.
A terra, portanto, é uma boa escolha como ponto de referência zero, uma vez que
ela nos circunda em todos os lugares. Quando alguém está de pé em contato com a
terra, seu corpo está aproximadamente no potencial da terra. Se a estrutura metálica de
uma edificação está aterrada, então todos os seus componentes metálicos estão
aproximadamente no potencial de terra.
[1] " Sistemas de aterramento para equipamentos eletrônicos sensíveis"
Paulo Fernandes Costa, 1998
[2] " Proteção contra descargas atmosféricas" , 3ª edição, 1997
Duílio Moreira Leite e Carlos Moreira Leite
Officina de Mydia
[3] " IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial
Power Systems"
“IEEE Std 142-1991 - Institute of Electrical and Electronics Engineers”, Inc.
[4] "IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Eletronic
Equipment”
“IEEE Std 1100-1992 - Institute of Electrical and Electronics Engineers”, Inc.
[5] "Técnicas de aterramentos elétricos"
Duílio Moreira Leite e Carlos Moreira Leite
Officina de Mydia, 2ª edição, 1996
[6] " A compatibilidade eletromagnética"
Ara Kouyoumdjian, Roland Calvas, Jacques Delaballe
MM Editora/Groupe Schneider, 1998
[7] " Proteção das pessoas contra choques elétricos"
BTicino/Pirelli, 1989
[8] " NBR 5410/1997 - Instalações elétricas de baixa tensão"
Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1997
[9] " NBR 5419/1993 - Proteção das estruturas contra descargas atmosféricas"
Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1993
U
[10] " A power quality primer"
CDA - Copper Development Association Inc., USA, 1998
[11] “ Características e evolução dos sistemas de aterramento para equipamentos
eletrônicos”
Revista Eletricidade Moderna, maio, 1992
Paulo Fernandes Costa
Diferença de
potencial em
relação à terra
[12] “ Grounding for the Control of E.M.T.”
Denny H. G., 1983
[13] “ Transient system analysis on a personal computer”
John Wiley E. Sons
El Chenaver C., 1988
[14] “Grounding and Shielding in Facilities”
John Wiley E. Sons
Morrison R., 1990
Potencial de terra
Estrutura no
potencial de terra
Figura 1
Pessoa no
potencial de terra
[15] “ Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation”
John Wiley E. Sons
Morrison R., 1986
[16] “ Lightining and Lightining Protection”
Hart W. C., 1988
[17] “ Computer Business Equipment Manufactures Association”
A Curva CBEMA - CBEMA
2
39
• ligação dos terminais de terra dos protetores de sobretensão instalados juntos aos
aparelhos eletrônicos no interior da instalação, através dos condutores de proteção
dos circuitos terminais até o TAP;
• ligação de todos os terminais de terra dos equipamentos da instalação elétrica
(chuveiros elétricos, torneiras elétricas, aquecedores, motores, etc), através dos
condutores de proteção dos circuitos terminais até o TAP;
• ligação das malhas de aterramento dos equipamentos eletrônicos sensíveis ao TAP
através de condutores de equipotencialidade os mais curtos e retos possível.
Caso não se utilize a malha e sim o sistema de ponto único, ligar os condutores de
proteção ao TAP de forma radial e a mais curta possível;
• ligar todos os condutores de equipotencialidade da instalação ao TAP do modo mais
2. Os objetivos do aterramento do sistema
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.
curto e reto possível.
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 ?
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 instalações 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.
Figura 2
U
Potencial de terra
Sem aterramento, a carcaça assume um potencial elevado em relação à terra
38
3
4. Funções básicas dos sistemas de aterramento
Podemos resumir as funções de um sistema de aterramento nos seguintes tópicos:
I∆N (dispositivo DR)
id
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.
UB = tensão de contato
limite (50 V)
RA ≤ 50 V
I∆N
RA
Esta condição permite resistências de aterramento
muito elevadas, de fácil realização.
Figura 3A - Com aterramento, a corrente
praticamente não circula pelo corpo.
Figura 3B - Sem aterramento, o único
caminho é o corpo.
Figura 26 - Proteção com dispositivo diferencial-residual.
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.
Um projeto de aterramento moderno, eficiente e integrado
Resumindo tudo o que foi exposto nessa publicação, podemos verificar que um projeto
de aterramento que satisfaça às exigências atuais de funcionalidade e atenda às normas em
vigor deve possuir as seguintes características:
• utilização da ferragem da estrutura, interligada em anel por um condutor de cobre
nu, como eletrodo de aterramento;
Dispositivo proteção
• presença do TAP no quadro geral de baixa tensão, interligado ao anel enterrado por
meio de um cabo de cobre isolado;
• ligações, por meio de cabos de cobre nus ou isolados, de todos os elementos
metálicos não energizados que entram na edificação, tais como tubulações de água,
esgoto, etc, até o TAP. Essas ligações devem ser radiais, as mais curtas possíveis;
• utilização de protetores contra sobretensões na entrada instalação, seja na linha
de força, na linha de telefonia, de sinal etc. Os terminais de terra desses protetores
devem ser ligados ao TAP por meio de cabos de cobre isolados;
Figura 4
4
37
10. O aterramento único das instalações elétricas
Em qualquer projeto, deve ser assegurado que todos os tipos de proteções necessárias
(choque, descargas atmosféricas diretas, sobretensões, equipamentos eletrônicos, descargas
eletrostáticas) se juntem em um único ponto de aterramento, garantindo, assim, a tão
desejada e fundamental equipotencialidade.
Terminal de Aterramento Principal - TAP
Esse ponto de convergência do sistema de aterramento de uma instalação elétrica
é o chamado TAP (Terminal de Aterramento Principal).
4.3 - Controle de tensões
O aterramento permite um controle das tensões desenvolvidas no solo (passo, toque e
transferida) quando um curto-circuito fase-terra retorna pela terra para a fonte próxima ou
quando da ocorrência de uma descarga atmosférica no local.
4.4 - Transitórios
O sistema de aterramento estabiliza a tensão durante transitórios no sistema elétrico
provocados por faltas para a terra, chaveamentos, etc, de tal forma que não apareçam
sobretensões perigosas durante esses períodos que possam provocar a ruptura da isolação
dos equipamentos elétricos.
O TAP possui algumas características particulares, a saber:
4.5 - Cargas estáticas
a) Deve ser constituído por uma barra retangular de cobre nu de, no mínimo,
50mm de largura x 3mm de espessura x 500mm de comprimento;
O aterramento deve escoar cargas estáticas acumuladas em estruturas, suportes e
carcaças dos equipamentos em geral.
b) Deve ser instalado isolado da parede (por meio de isoladores de baixa tensão em
epoxi, porcelana, etc.), e o mais próximo possível do nível do solo. Na prática,
geralmente, o TAP é instalado no interior do quadro geral de baixa tensão da
instalação;
c) Deve ser ligado em um único ponto ao anel de aterramento por meio de um cabo
isolado de seção mínima 16mm 2 . Essa ligação deve ser a mais direta e curta possível.
Corpo carregado
isolado da terra
Resistência de aterramento
Com a equipotencialidade assegurada, o valor absoluto da resistência de aterramento
deixa de ser o fator mais importante. No entanto, a NBR 5419/93 recomenda um valor
máximo em torno de 10 Ω . A NBR 5410/97 não traz nenhum valor máximo em particular,
mas apresenta, para o caso da proteção contra contatos indiretos, uma fórmula para a
determinação do valor da resistência, que é dada por R = U L / la, onde:
U L - tensão limite de contato (50V ou 25V, nas situações 1 ou 2);
Ia - corrente de atuação do dispositivo DR (da ordem de 30 mA).
Assim, para 50V e 30 mA, temos R = 1,7k Ω , valor extremamente elevado e muito fácil
de ser obtido. Mesmo para DRs de 500 mA, teríamos uma resistência máxima de
aterramento de 50V/ 500 mA = 100 Ω , também fácil de ser conseguido (figura 26).
∆U ≠ 0
Potencial de terra
Figura 5A - Corpo (estruturas, suportes, carcaças,
etc.) isolado da terra, com carga
acumulada.
∆U = 0
Potencial de terra
Figura 5B - Corpo ligado à terra.
Logo, se for adotado o valor de 10 Ω da norma NBR 5419/93, estará assegurado um bom
valor de resistência de aterramento e fácil de ser obtido, sobretudo se for utilizada a
ferragem das fundações da estrutura.
36
5
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.
O transformador de isolamento, é um equipamento que possui uma blindagem
eletrostática (material não magnético como o alumínio, por exemplo), envolvendo
um ou mais de seus enrolamentos. Esta blindagem, sendo aterrada, reduz o acoplamento
capacitivo entre os enrolamentos. Para a maioria das aplicações, uma única blindagem
é suficiente.
9.5 - Proteção contra descargas eletrostáticas
A acumulação de eletricidade estática em equipamentos, materiais armazenados ou
processados e em pessoal de operação introduz um sério risco nos locais onde estão
presentes líquidos, gases, poeiras ou fibras inflamáveis ou explosivas.
A eletricidade estática é, provavelmente, a primeira forma de eletricidade registrada
pela Humanidade, estando reportada em escritos gregos de 600 anos Antes de Cristo.
Ela é gerada pela movimentação dos elétrons que acontece quando materiais diferentes
que estão em contato íntimo são separados. Quando dois materiais bons condutores
elétricos estão em contato e são separados, a maioria dos elétrons em excesso de um
condutor voltará para o outro, antes da separação ser realizada por completo.
Potencial de terra
Plano de referência ”Quieto“
Figura 6
No entanto, se um ou ambos materiais forem isolantes elétricos, os elétrons em excesso
em um deles não voltam para o outro antes da separação, tornando-se, assim, carregado.
De fato, a carga estática é devida a uma deficiência ou a um excesso de elétrons.
Uma superfície que possua uma diferença de um elétron a cada 100.000 átomos está muito
carregada!
A tensão resultante está relacionada com a quantidade de carga depositada no corpo
e com a capacitância desse corpo em relação à sua vizinhança, sendo expressa
por U = Q / C, onde:
5. A lguns conceitos importantes sobre aterramento
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.
U = tensão (volts);
Q = carga (coulombs);
C = capacitância (farads).
Essa tensão, em alguns casos, pode atingir milhares de volts, provocando uma descarga
entre o corpo energizado e outro qualquer.
Muitos problemas de eletricidade estática podem ser resolvidos pela ligação equipotencial
de várias partes dos equipamentos e a ligação à terra de todo o sistema. A ligação
equipotencial minimiza a tensão entre equipamentos, prevenindo descargas entre eles.
O aterramento minimiza a diferença de potencial entre o objeto e o terra. Essas ligações
podem ser feitas por condutores nus ou isolados, utilizando-se o sistema de aterramento
único da edificação.
Deve-se salientar que o aterramento não é a solução única para todos os problemas
de eletricidade estática como, por exemplo, no processamento de materiais isolantes (papel,
roupas, borrachas) ou de líquidos pouco condutivos (refino de petróleo).
Nesses casos, a eletricidade não pode ser removida pelo aterramento ou equipotencialidade
e devem ser adotados outros métodos de controle (por exemplo: ionização, umidificação, etc.).
6
35
• escolher uma forma adequada de aterrar as blindagens dos cabos, levando-se
em conta a freqüência de comunicação e o sistema de aterramento utilizado.
Como recomendação geral, em baixas freqüências (dezenas de kHz), a
blindagem pode ser aterrada somente em uma extremidade. Já em altas
freqüências (centenas de kHz ou faixa de MHz), é recomendável o aterramento
nas duas extremidades. Neste último caso, a blindagem deve ser protegida por
um condutor externo ao cabo, bitola mínima 16mm 2 (critério mecânico) a fim
de evitar que a mesma seja danificada por correntes transitórias.
O cabo em questão deve ser aterrado também nas duas extremidades.
9.4.12 - Complementos ao sistema de aterramento
Deve ser notado que, mesmo sendo uma malha de aterramento de melhor
concepção, a M.T.R. tem ação limitada pois atua apenas equalizando as barras de terra
dos equipamentos eletrônicos sensíveis a ela conectados através de condutores (fitas
ou cordoalhas) curtas.
Uma situação importante e bastante comum a ser analisada é a interconexão de
equipamentos situados em prédios ou locais distantes entre si.
Embora em cada prédio ou edifício possa existir uma malha de referência, se elas
forem interconectadas através de condutores longos, não se conseguirá equalizá-las
para altas freqüências.
Desta forma, podem surgir diferenças de potencial entre as malhas e, em uma
situação pior, podem ser induzidos surtos de tensão elevados nos cabos que fazem
a conexão dos equipamentos remotos.
Estes surtos são causados, geralmente, por descargas atmosféricas incidentes nos
edifícios ou nas proximidades dos mesmos, e penetram nos cartões de interface através
dos cabos, quer seja na forma de sinal de modo comum (condutores e terra), quer seja
no modo normal (entre condutores).
Em alguns casos, os valores dos surtos são tão elevados que os componentes
eletrônicos dos cartões são literalmente carbonizados. Embora esses surtos de tensão
possam ser atenuados por técnicas de instalação corretas (blindagem dos condutores
através de eletrodutos metálicos, por exemplo), a experiência tem mostrado que estas
técnicas são insuficientes ou, em alguns casos, impossíveis de serem aplicadas, pelo seu
custo excessivo. Nestes casos, a situação pode ser contornada através do emprego de
protetores de surtos adequados, cujo dimensionamento requer um estudo específico, ou
pelo emprego de fibra óptica.
Também podem ser acoplados surtos de tensão através das fontes de alimentação
de força, o que pode ser atenuado pelo emprego de transformadores de isolamento,
associados a protetores de surto convenientes.
Deve ser observado que os transformadores de isolamento atenuam a entrada
de surtos de modo comum (entre fases e terra), mas não evitam a passagem de surtos
no modo normal (entre fases), já que, neste caso, o acoplamento será realizado
através do próprio circuito magnético do transformador.
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
Figura 7A - Tensão de toque.
Potencial
de terra
U passo
Figura 7B - Tensão de passo.
34
7
5.4 - Ruído de modo comum
Quando todos os condutores de um sistema de sinal ou de força possuem uma diferença
de potencial idêntica em relação a uma referência, essa tensão é chamada de tensão ou
sinal de modo comum. Se essa tensão não é desejada, é geralmente chamada de ruído.
Essa referência normalmente é a terra ou a carcaça do equipamento, que podem também
estar no mesmo potencial. Os equipamentos eletrônicos freqüentemente apresentam uma
sensibilidade aguçada em relação aos ruídos de modo comum entre os condutores de
alimentação (força) e a terra, que podem afetar tanto os sinais analógicos como os digitais.
O ruído de modo comum ocorre quando existe uma diferença de potencial entre o terra
ao qual a fonte de energia se refere e o terra ao qual o equipamento se refere. Há sempre
um acoplamento resistivo ou capacitivo entre os circuitos internos do equipamento e sua
carcaça. A diferença de potencial pode ser criada quando circula uma corrente pelo condutor
de proteção ou pela terra, entre a carcaça do equipamento e o aterramento da fonte de alimentação.
9.4.11 - Outros aspectos importantes relacionados com o aterramento de
equipamentos eletrônicos sensíveis
A malha de terra de referência é a solução ideal para o aterramento confiável de
um conjunto de equipamentos sensíveis agrupados em um mesmo ambiente, sendo
esta a solução natural para CPD’s, salas de controle com PLC’s, centrais telefônicas,
estações de rádio, equipamentos gerais de informática e comunicação de dados, etc.
Quando for difícil sua aplicação, principalmente para um número pequeno
de equipamentos ou equipamentos muito espalhados, pode-se utilizar o método de
aterramento de ponto único ou então utilizar uma placa metálica que simule a malha
de terra de referência (“Transient Supressor Plate”).
De qualquer forma, a malha de terra de referência ou qualquer outro sistema
de aterramento, não garantem, sozinhos, o bom desempenho dos equipamentos
sensíveis.
É obrigatório que sejam realizados ainda os seguinte complementos:
Pela terra circulam muitas correntes parasitas, causando pequenas diferenças de
potencial entre pontos. Essas correntes podem ser de freqüências diferentes da industrial
(60 Hz) ou, mesmo se forem de frequência industrial, podem conter harmônicas ou
transitórios devidos a chaveamentos, manobras e outros fenômenos. Portanto, se a carcaça
do equipamento estiver ligada à terra, qualquer potencial que se estabeleça entre essa
ligação e o ponto de aterramento do sistema pode ser acoplado no interior do circuito
eletrônico.
• executar uma blindagem externa do edifício (ou blindagem interna na sala que
abrigue a malha) contra descargas atmosféricas diretas e indiretas; utilizando,
necessariamente, a Gaiola de Faraday, com “Mesh” adequado (Nivel I,
NBR 5419). A intenção é reduzir o campo eletromagnético no volume interno
onde estão situados os equipamentos eletrônicos sensíveis e, portanto, reduzir
também as interferências irradiadas via ar. A Proteção Franklin não é adequada
neste caso;
A carcaça do equipamento pode ser mantida no mesmo potencial do terra do sistema se
o condutor de proteção do equipamento for de baixa impedância e não estiver ligado à terra
em nenhum ponto, exceto no ponto de aterramento da alimentação, assim chamado de
"aterramento de ponto único". A diferença de potencial entre os pontos de aterramento da
fonte e do equipamento não deve ser suficiente para causar choques nas pessoas e não deve
possibilitar o acoplamento resistivo ou capacitivo em uma intensidade tal que possa criar
um ruído indesejado.
• aplicar protetores de surtos no início e fim de cada interface longa, não óptica,
dos cabos de comunicação de sinais. As interfaces longas a considerar são
aquelas entre edifícios ou dentro de um mesmo edifício;
A ligação do aterramento do equipamento a um eletrodo que seja física e eletricamente
separado dos eletrodos de aterramento do sistema elétrico e da estrutura da edificação
provocará, inevitavelmente, um ruído de modo comum. A intensidade desse ruído pode ser
destrutiva para o equipamento e perigosa para as pessoas, uma vez que uma falta no sistema
elétrico pode elevar o potencial do sistema ou da estrutura centenas ou milhares de volts
acima da referência de terra.
• escolher criteriosamente o sistema de alimentação elétrica dos equipamentos
sensíveis, de forma que estes sejam protegidos contra surtos de tensão,
transitórios, harmônicos e outros fenômenos. Deve-se ainda proceder a uma
avaliação na qualidade de energia local e estudar a necessidade de se implantar
energia ininterrupta. Em geral, nos sistemas com equipamentos sensíveis de
grande importância, a alimentação elétrica deve ser executada através de sistema
de alimentação não interruptível (“No Breaks”). Deve ser observado que os
estabilizadores de tensão, largamente utilizados no Brasil, geralmente, não
possuem resposta para fenômenos transitórios rápidos, corrigindo apenas
variações lentas de tensão;
• escolher, criteriosamente, a rota e forma de instalação de cabos de comunicação
de sinais sensíveis em bandejas, eletrodutos, redes de dutos, “pipe-racks”, etc.
Em geral, os cabos de comunicação de sinais sensíveis devem ser instalados em
eletrodutos (ou calhas fechadas) metálicos, contínuos e multi-aterrados.
Em bandejas, os cabos sensíveis devem se situar em distâncias progressivas em
relação ao nível de tensão mais alto, atendendo às normas de compatibilidade
eletromagnética;
8
33
Além da interligação intencional à malha de força, a malha de terra de referência
deve também ser interligada intencionalmente a todos os componentes metálicos
presentes no seu ambiente (figura 25), tais como:
Equipamento
• colunas metálicas;
Aterramento do
funcional do
equipamento
• eletrodutos, que chegam ou saem no ambiente da malha;
• carcaças metálicas dos quadros de comando, de força e de instrumentação;
(∆U ruído de modo comum)
• armários metálicos diversos;
• equipamentos de ar condicionado;
Aterramento de carcaça
• tubulações de água e de incêndio, entre outros.
Potencial de terra
Figura 8
5.5 - Potencial transferido
Coluna metálica
Quadro elétrico
Qualquer equipamento
metálico
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.
Qualquer objeto
metálico
Malha de terra de referência
6. Ligação à terra
Figura 25
A filosofia portanto é de equalização de potencial, através da conexão em
múltiplos pontos.
32
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.
9
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 25 Ω 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 (25 Ω /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 equipotencialidade 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.
Quando o comprimento do terra lógico à malha exceder a distância do “Mesh”
da malha, utilizar cordoalha ou fita de maior largura (mínimo de 40mm).
No caso de uma sala com malha de referência, e que possua tomadas no piso
ou nas paredes, o terceiro piso da tomada, deverá ser ligado simultaneamente na
malha de referência e no condutor terra (P.E.) que procede do quadro de distribuição
que alimenta as tomadas.
A distribuição dos condutores terra (P.E.) deverá ser radial, sem formar “loops”.
9.4.10 - A interligação da Malha de Terra de Referência à Malha do Sistema de
Força - Equalização de potencial
Sob o ponto de vista teórico, a malha de terra de referência funciona sem
nenhuma conexão à terra (suspensa no ar, por exemplo), já que a equalização de
potencial é feita em função do seu “Mesh”, definido conforme o comprimento de onda
da maior freqüência interferente. No entanto, como visto, é necessário que ela seja
interligada à malha de força para cumprimento da condição de segurança pessoal
(NBR 5410/97).
Por garantia, é desejável a interligação intencional à malha de força através de
trajetos conhecidos, em pelo menos em dois pontos (figura 24).
Quadro
elétrico
Terminal de aterramento do
quadro de força
p/ TAP
p/ TAP
1000A
I
∆U muito pequeno
∆U = 12500V
Conexão
exotérmica
Resistência elétrica nesse trecho
extremamente reduzida
Cabo de interligação
com o aterramento de força
15 cm
A terra é
um condutor ruim
em relação aos
materiais metálicos
Malha de terra de referência
{
Malha metálica
Figura 24
R T =25Ω
Figura 9A - Tensão desenvolvida na
vizinhança de um eletrodo
de aterramento.
10
Painel típico
a ser aterrado
Figura 9B
31
Portanto, o critério de dimensionamento é apenas mecânico. Podemos utilizar
cabos com seções compreendidas entre 6mm 2 e 16mm 2, dependendo da situação de
montagem.
Como a área externa do condutor é que será utilizada, uma fita (de largura, por
exemplo, 20mm), possuindo área externa maior, apresentará melhor desempenho,
devido à sua menor impedância para altas freqüências. Quanto maior for a relação
largura / espessura da fita, melhor aproveitamento haverá. No entanto, por razões
mecânicas, não se recomenda utilização de fita com espessura inferior a 0,4mm.
Independentemente do tipo de condutor utilizado (redondo ou chato), todos os
pontos de cruzamento devem ser metalicamente ligados entre si, utilizando-se,
preferencialmente, solda prata ou latão.
Existe a possibilidade de se utilizar malhas pré-fabricadas. No Brasil, geralmente,
são disponíveis malhas com condutores redondos, comercializadas em rolos de 3 x 6m.
9.4.8 - A localização da M.T.R.
A malha de terra de referência deve ser montada sob os equipamentos
eletrônicos sensíveis a uma distância tal que o comprimento entre as barras de terra
lógicas destes e a M.T.R., não ultrapasse a distância do “Mesh”. As melhores soluções
para se conseguir este objetivo são as seguintes:
• utilização de um piso falso com a malha situada no fundo do mesmo.
Naturalmente, a construção da malha deve ocorrer antes do lançamento
dos cabos de sinais;
• pode-se construir a malha suspensa, fixada firmemente (através de conectores)
nos suportes do piso falso. Esta opção é mais trabalhosa e mais cara que a
primeira, devendo ser utilizada somente em locais com cabos já lançados
(“Retrofit”);
• a malha de terra de referência pode ser embutida na superfície do piso, no
concreto estrutural. Neste caso, deve-se deixar os pontos de conexão acessíveis;
• quando no piso existir galeria, a malha de terra de referência pode ser presa no
seu teto (isto é, no caso em que os equipamentos se situem no nível superior
do piso).
9.4.9 - Conexão dos terras lógicos à M.T.R.
Os terras lógicos dos equipamentos sensíveis devem ser ligados à malha de terra
de referência por meio de condutores chatos (cordoalhas) ou fitas.
Para facilitar a conexão à malha, pode-se utilizar placas metálicas de conexão,
interligadas ao “Mesh” da malha nos quatro lados. Estas placas, ligadas à malha através
de condutores / solda exotérmica, permitem mais uma base metálica que facilita a
conexão de cabos, cordoalhas, etc.
30
7 . E l e t ro d o s d e a t e r r a m e n t o
7.1 - Tipos de eletrodos
Basicamente, os eletrodos de aterramento podem ser divididos em alguns tipos, a saber:
a) Eletrodos existentes (naturais)
Prédios com estruturas metálicas são normalmente fixados por meio de longos
parafusos a seus pés nas fundações de concreto. Esses parafusos engastados no
concreto servem como eletrodos, enquanto que a estrutura metálica funciona
como condutor de aterramento.
Na utilização desse sistema, deve-se assegurar que haja uma perfeita continuidade
entre todas as partes metálicas (verifica-se a resistência de aterramento). Também
deve ser realizada a ligação equipotencial entre as partes metálicas que,
eventualmente, possam estar desconectadas da estrutura principal;
b) Eletrodos fabricados
Normalmente são hastes de aterramento. Quando o solo permite, geralmente,
é mais satisfatório o uso de poucas hastes profundas do que muitas hastes curtas;
c) Eletrodos encapsulados em concreto
O concreto em contato com o solo é um meio semicondutor com resistividade da
ordem de 3000 Ω cm a 20 °C, muito melhor do que o solo propriamente dito.
Dessa forma, a utilização dos próprios ferros da armadura da edificação, colocados
no interior do concreto das fundações, representa uma solução pronta e de ótimos
resultados.
Qualquer que seja o tipo de fundação, deve-se assegurar a interligação entre os
ferros das diversas sapatas, formando assim um anel. Esse interligação pode ser
feita com o próprio ferro da estrutura, embutido em concreto ou por meio do uso
de cabo cobre.
A resistência de aterramento total obtida com o uso da ferragem da estrutura
ligada em anel é muito baixa, geralmente menor do que 1 Ω e, freqüentemente,
ao redor de 0,25 Ω .
Observe-se que apenas os ferros da periferia da edificação são efetivos, sendo
muito pequena a contribuição da estrutura interna.
d) Outros eletrodos
Quando o terreno é muito rochoso ou arenoso, o solo tende a ser muito seco
e de alta resistividade.
Caso não seja viável o uso das fundações como eletrodo de aterramento, fitas
metálicas ou cabos enterrados são soluções adequadas técnica e economicamente.
A profundidade de instalação desses eletrodos, assim como as suas dimensões,
influenciam muito pouco na resistência de aterramento final.
11
9.4.6 - O princípio de funcionamento da M.T.R.
Estrutura
metálica
Haste de
aterramento
Metal
Conforme mencionado anteriormente, sabe-se da teoria de comunicação de
ondas conduzidas que, se o comprimento físico do condutor é da ordem de grandeza
do comprimento de onda da própria onda, então existirão diferenças de potencial ao
longo do condutor. Por outro lado, se o comprimento físico é muito menor (10 a 20
vezes menor) que o comprimento de onda, então as diferenças de potencial ao longo
do condutor são mínimas (este aliás, é o critério utilizado, em estudos de transitórios,
quando se modela uma linha através de parâmetros distribuídos ou concentrados).
Portanto, se construirmos uma malha de aterramento cuja malha (Mesh) seja
muito menor que o comprimento de onda da maior freqüência interferente, não
existirão diferenças de potencial apreciáveis entre dois pontos quaisquer da malha.
Na figura 23, estão resumidos os critérios e fórmulas de determinação da distância
entre condutores.
d
Figura 10B - Eletrodo fabricado.
Concreto
y
d = ——
20
c
y = ——
f
c
d = ——
20f
d
d=
y
=
c=
f=
Figura 10A - Eletrodos naturais.
comprimento do “Mesh” da malha (m)
comprimento de onda (m)
velocidade da luz = 3 x 108 m/s
freqüência (Hz)
Ferragem
Figura 23 - Determinação do “Mesh” da malha de referência.
Concreto
Fita de cobre /
cabo de cobre enterrado
O critério atual é adotar uma freqüência no espectro de rádio-freqüência
(30MHz), que atende à maioria das interferências presentes nos meios industriais e
comerciais, incluindo-se as descargas atmosféricas.
Casos especiais devem ser analisados à parte. Portanto, a malha de terra de referência
projetada segundo este critério será um plano de referência, sem perturbações, tanto
para freqüências baixas (60Hz), como para rádio-freqüências da ordem de 30-60MHz.
9.4.7 - Condutor da M.T.R.
Figura 10D - Outros eletrodos.
Concreto
Ferragem
Figura 10C - Eletrodos encapsulados em concreto.
12
A malha de terra de referência não é projetada para retorno de correntes de
curto-circuito.
As correntes de curto-circuito fase-terra de cada equipamento devem retornar
pelo condutor individual de proteção (P.E.) que deve sempre estar no mesmo invólucro
dos condutores fase e neutro, a fim de reduzir a impedância de retorno (Seq. Zero).
Como a malha é projetada para altas freqüências, apenas a periferia do condutor
será, em geral, utilizada para conduzir as correntes circulantes (devidas ao efeito
pelicular).
29
A construção com cabos de seção circular, mantido o espaçamento anteriormente
citado, é completamente satisfatória, com a vantagem de ser adquirida no mercado,
pré-fabricada, em diversas bitolas dos condutores.
Deve ser observado que a função básica desta malha é a equalização de potenciais
e não a condução de correntes de curtos-circuitos. Isto siginifica que os condutores de
proteção para retorno de curtos-circuitos fase-terra devem continuar existindo,
dimensionados segundo a norma de instalação (NBR 5410/97).
A M.T.R. dever ser obrigatoriamente conectada ao sistema de aterramento de
força, para eliminar diferença de potencial já comentada, embora, sob o ponto de vista
teórico, ela funcione até mesmo suspensa no ar. Podem existir um ou mais pontos de
conexão, pois estes não interferem no funcionamento da M.T.R. Todas as carcaças e
barras de terra de referência dos quadros de equipamentos eletrônicos sensíveis,
assim como partes metálicas e demais equipamentos integrantes do ambiente, como
eletrodutos, colunas metálicas, quadros de distribuição, etc., devem ser ligados à M.T.R.
através de cordoalhas ou fitas de cobre. Pode-se também utilizar os suportes metálicos
do piso falso como parte integrante da própria M.T.R.
A figura 22, mostra o sistema de aterramento utilizando uma M.T.R.
Equipamento
eletrônico
Quadro de distribuição
F
F
F
N
TP
CPE
F
TE
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.
F
F
F
F
N
Equipamento
eletrônico
CPE
F
N
TE
Sistema de
alimentação
de força
Malha de terra
de referência
Malha de terra de força
Notas
1 - Ver legenda na figura 21
2 - A conexão da barra de terra de referência dos
equipamentos eletrônicos (T.E.) à M.T.R. deve
ser feita preferencialmente com fita ou
cordoalha, de comprimento máximo igual ao
adotado entre condutores da M.T.R.
Figura 22 - Sistema de aterramento utilizando a M.T.R.
28
3 - A conexão de equalização entre a M.T.R.
e a malha de terra de força é para baixas
freqüências, principalmente para atender o
critério de segurança pessoal. Podem existir
mais de uma dessas conexões, sem prejuízo
para o funcionamento do sistema.
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.
13
Os metais com valores positivos na tabela 1 irão ser corroídos (ânodos), enquanto que
aqueles com valores negativos estarão protegidos e não apresentarão corrosão (cátodos).
Assim, quando ferro e cobre estão próximos, o primeiro sofrerá corrosão.
Deve-se notar que barras de ferros embutidas em concreto (como no caso das
fundações das edificações) têm aproximadamente o mesmo potencial que o do cobre,
significando que, praticamente, não sofrerão os efeitos de corrosão. O uso da solda
exotérmica nas conexões enterradas cobre-ferro (ou aço) também garante a proteção
contra corrosão entre os dois metais.
Ligação equipotencial (externa)
Fluxo de
corrente
Nível de solo
Corrente
Canalização
metálica
(ferro)
Eletrodo de aterramento
de cobre
Corrosão
0.38 volts
Figura 11
-
+
Ânodo
Cátodo
TA B E L A 1 - S É R I E E L E T R O M OT I VA D O S M E TA I S
Metal
Bário
Cálcio
Sódio
Magnésio
Alumínio
Zinco
Níquel
Chumbo
Ferro
Hidrogênio
Bismuto
Cobre
Prata
Mercúrio
Ouro
14
Potencial (V)
2,90
Extremidade Anódica (Básica)
2,87
2,71
2,40
1,70
0,76
0,23
0,12
0,04
0,00
-0,23
-0,34
-0,80
-0,80
-1,50
Extremidade Catódica (Nobre)
A filosofia de ponto único deve sempre manter uma ligação única entre os
sistemas de aterramento de força e o sistema de aterramento de referência dos
equipamentos eletrônicos sensíveis.
A conexão acima descrita é um reconhecido avanço na metodologia de aterramento
dos equipamentos sensíveis, mas ainda possui alguns incovenientes.
O maior deles é a incapacidade dos condutores de aterramento longos de equalizar
as barras de terra nos casos em que são percorridos por correntes de freqüência elevada.
Outro incoveniente é o acoplamento capacitivo entre o terra do equipamento
eletrônico e a carcaça do painel de sustentação, já que são localmente isolados.
Este acoplamento pode formar loops para altas freqüências, resultando em correntes
circulantes que produzem ruídos, alterando o potencial da barra de referência.
Estes incovenientes são reduzidos quando os cabos de aterramento são curtos,
como por exemplo, no caso de se aterrar um ou poucos equipamentos, situados
próximos do quadro de distribuição.
9.4.5 - Malha de Terra de Referência (M.T.R.)
No estágio atual, a mais recente técnica de aterramento de equipamentos sensíveis
consiste em se utilizar a Malha de Terra de Referência (M.T.R.).
Seu objetivo básico é o de cancelar o grave inconveniente de todos os tipos de
malhas anteriores, no que concerne à incapacidade das mesmas de equalizar as barras
de terra dos diversos equipamentos eletrônicos para altas freqüências, permitindo
então a entrada de ruídos indesejáveis nestes mesmos equipamentos.
Como já foi abordado, as fontes de ruídos são bastante diversificadas, incluindo-se
rádio-freqüências (R.F.) e freqüências mais elevadas na faixa de MHz provocadas, por
exemplo, pelo próprio computador ou seus periféricos (atualmente existem computadores
operando com 300MHz, mas estão prontos “Chips” para operação em 1GHz).
A construção das M.T.R., é baseada nas pesquisas de condução de sinais de alta
freqüência em cabos condutores (linhas de transmissão), pesquisas estas que estabeleceram
que “se o comprimento do condutor não for maior do que 1/10 a 1/20 do comprimento
de onda do sinal transmitido, então a diferença de potencial estabelecida entre as
extremidades do condutor é praticamente desprezível”.
Para um sinal de 60MHz, um vigésimo do seu comprimento de onda equivale a
cerca de 30cm.
Portanto, se for construída uma malha de condutores espaçados entre si com esta
distância e interconectados nos seus cruzamentos, será criado um grande número de
circuitos paralelos de baixa impedância, os quais funcionarão praticamente como
curto-circuito para o espectro de freqüências desde 60Hz (freqüência industrial)
até 60MHz.
Pode-se perceber, por extensão, que uma “chapa” equalizaria qualquer freqüência
por mais elevada que fosse, uma vez que seria nulo o espaçamento entre condutores.
O condutor ideal para altas freqüências é a “fita”. Logo a M.T.R. deve, em princípio,
ser executada com estes condutores. Entretanto, a execução física da M.T.R. com fitas
é mais trabalhosa e requer equipamentos de execução de solda mais difíceis de serem
encontrados e operados.
27
Quando o sistema de aterramento de força é de alta resistência (digamos maior
do que 10Ω, conforme a NBR 5419), pode-se utilizar um sistema local de eletrodos
auxiliares para os equipamentos eletrônicos, com a finalidade de diminuir a resistência
total de aterramento para um valor próximo a 10Ω.
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.
A barra de terra dos equipamentos eletrônicos, situada no quadro de distribuição,
deve ser ligada a esses eletrodos através de cabo condutor isolado.
O esboço da malha de aterramento de ponto único está apresentado na figura 21.
Equipamento
eletrônico
Quadro de distribuição
F
F
F
CPE
N
F
TE
F
F
F
F
N
Sistema de
alimentação
de força
Equipamento
eletrônico
F
N
TP
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.
TE
CPE
Proteção
contra choques
CTE
CTE
CP
TE
CTE
Proteção de
equipamentos de
informações
Condutor isolado
Proteção
contra
sobretensões
Proteção
contra descargas
atmosféricas
Proteção
contra descargas
eletrostáticas
Terra auxiliar
local, se necessário
Legenda
F - Fase
N - Neutro
T.P. - Barra de aterramento que recebe o
condutor de proteção (retorno de defeito
fase-terra.
T.E. - Barra de terra de referência para
equipamentos eletrônicos - isolada do
quadro.
C.P.E. - Condutor isolado de proteção dos quadros
de equipamentos eletrônicos.
C.T.E. - Condutor isolado de aterramento das T.E.
C.T. - Condutor isolado de aterramento da T.E.
do quadro de distribuição.
C.P. - Condutor de aterramento da T.E. do quadro
de distribuição.
Figura 21 - Sistema de aterramento de ponto único para equipamentos eletrônicos (sem transformador
de isolamento).
26
Figura 12
Aterramento único
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:
15
•
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 50k Ω . De fato, conforme a figura 14, uma
pessoa de resistência mão-pé da ordem de 1k Ω em série com um piso de 50k Ω ,
submetida a uma tensão fase-terra de 127V, será percorrida por uma corrente elétrica
de aproximadamente 127V / 51 k Ω = 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 > 50k Ω ), o que limita esse tipo de proteção apenas a lugares especialmente
construídos para tal finalidade.
t(ms)
9.4.4 - Aterramento de “ponto único”
Este método representa o passo seguinte na evolução dos sistemas de aterramento
dos equipamentos sensíveis, pois elimina do sistema isolado a sua principal
desvantagem, que é a falta de segurança pessoal originada da diferença de potencial
que pode aparecer entre as duas malhas.
As características principais desse método são:
•
os equipamentos eletrônicos continuam isolados do painel de sustentação.
Suas barras de terra, também isoladas, são ligadas através de condutores
isolados, radiais, a uma barra de terra geral, comumente situada no quadro
de distribuição de força dos equipamentos. Esta barra também é isolada do
quadro de distribuição, mas conectada através de um cabo isolado a um
único ponto do sistema de aterramento de força. Portanto, equalizam-se as
duas malhas através desta conexão;
•
as carcaças dos painéis de sustentação são ligadas ao sistema de aterramento
de força de forma convencional, isto é, de modo a permitir o retorno das
correntes de curtos-circuitos originadas pela falha na isolação de alimentação
de força dos equipamentos eletrônicos.
10000
5000
2000
Quando existe um quadro de distribuição de força único para os referidos
equipamentos, a melhor forma é aterrar suas carcaças através de cabos isolados
ligados radialmente na barra do quadro de distribuição.
Este quadro pode possuir, portanto, três “barras de aterramento”:
1000
500
2
1
3
4
200
•
•
100
50
•
20
10
0,2
0,5
1
2
5
10 20 30 50 100 200
500 1000 2000
lc(mA)
Esta última barra, como já descrito, está ligada através de cabos isolados radiais
nas barras de terra (barra de referência) dos equipamentos eletrônicos e a um único
ponto do sitema de força.
Legenda
1 - Nenhum efeito perceptível.
2 - Efeitos fisiológicos geralmente não danosos.
3 - Efeitos fisiológicos notáveis (parada cardíaca,
parada respiratória, contrações musculares)
geralmente reversíveis.
barra de neutro (ligada à carcaça do quadro);
barra de terra, que recebe os cabos radiais de aterramento das carcaças dos
quadros de sustentação dos equipamentos eletrônicos (também ligada à
carcaça do quadro);
barra de terra isolada da carcaça (própria para aterramento dos equipamentos
eletrônicos).
4 - Elevada probabilidade de efeitos fisiológicos
graves e irreversíveis: fibrilação cardíaca,
parada respiratória.
Gráfico 1 - Zonas tempo-corrente de efeitos de corrente alternada (15 a 100Hz) sobre pessoas
16
25
c) Utilização de sistema de aterramento radial de “ponto único”;
não conectar à tomada
d) Utilização da Malha de Terra de Referência (M.T.R.), também designada
“Signal Referente Grid” (S.R.G.).
não introduzir
elementos
condutores
estranhos
9.4.2 - Utilização do sistema de aterramento de força
O sistema de aterramento para os equipamentos de força já é bem conhecido,
com longo tempo de utilização e desenvolvimento, funcionando com ótimos resultados
quando bem projetado. Então por que não utilizá-lo também para os equipamentos
eletrônicos?
Este raciocínio natural foi posto em prática quando se começou a utilização dos
equipamentos eletrônicos em larga escala (início dos anos 70) e foi um redundante
fracasso...
As malhas de terra para os equipametos de força são completamente
inadequadas para equipamentos sensíveis, já que, em regime normal, costumam ser
percorridas por correntes de várias origens, denominadas espúrias (provocadas por
correntes anódicas/catódicas, correntes de circulação de neutro, induções
eletromagnéticas diversas, etc).
Em regime transitório (curtos-circuitos para a terra, descargas atmosféricas, etc),
estas correntes podem ser extremamente elevadas. Daí, verificamos que a malha de
potencial fixo, inalterável, necessária aos equipamentos eletrônicos sensíveis, não é
a malha projetada para os sistemas de força.
R
≥ 50kΩ
Figura 13 - Locais não condutores.
I
1kΩ
9.4.3 - Utilização de sistema de aterramento isolado
127V
1kΩ
50kΩ
127V
Descoberta a inadequabilidade das malhas de força para os equipamentos
eletrônicos, o passo seguinte foi estabelecer uma malha de terra “isolada”,
independente, para os equipamentos em questão.
Esta malha, embora tenha tido algum sucesso, pois efetivamente controla
alguns aspectos negativos da malha de força (principalmente reduz as correntes
espúrias que percorrem as mesmas), apresenta alguns incovenientes, a saber:
24
•
o aterramento da carcaça (ou invólucro metálico do painel suporte dos
equipamentos) não é equalizado com o aterramento dos equipamentos
eletrônicos;
•
projetar uma malha de terra “isolada” da malha de força é uma tarefa
altamente inglória e discutível, pois o solo, ainda que seja de elevada
resistividade, é condutor. Assim, existe um acoplamento resistivo (para
baixas freqüências) e capacitivo (para altas freqüências) entre os dois
sistemas considerados “isolados”;
•
não tendo sofrido alteração na sua geometria, a malha apresenta ainda
deficiências construtivas como condutores longos, incapazes de equalizar
altas freqüências e principalmente “loops” (malhas fechadas) características
das malhas industriais.
I
50kΩ (piso)
I =
127V
= 2,5 mA
(1000 + 50000)Ω
Figura 14
•
os mesmos estudos realizados pela IEC concluíram que as pessoas estão livres de
choques perigosos se estiverem submetidas a tensões elétricas inferiores a 50V
(alternados) ou 120V (contínuos), na situação 1 e 25V (alternados) ou 60V (contínuos),
na situação 2.
A situação 1 corresponde a locais "normais" como quartos, salas, cozinhas, lojas,
escritórios e na maior parte dos locais industriais. A situação 2 abrange áreas externas,
locais molhados (banheiros), campings, etc. Assim sendo, se alimentarmos
uma instalação (ou um setor da instalação) com tensões inferiores às mencionadas
garantimos a proteção das pessoas contra choques perigosos.
Infelizmente, na prática, poucos aparelhos podem ser alimentados nessas condições,
uma vez que o usual é dispormos de tensões de 127, 220, 380 e 440V.
A alimentação em tensões inferiores a 50 e 25V limita-se, geralmente, a aparelhos de
iluminação subaquáticos e alguns comandos;
17
•
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 5410/97
em três tipos:
• Esquema TT
• Esquema TN
• Esquema IT
Na entrada de telefonia (no Distribuidor Geral - DG), o terra deve ser ligado ao TAP
da instalação por meio de fita ou cordoalha chata de cobre, devendo ainda ser instalados
protetores de sobretensão adequados (figura 20).
Quadro geral de elétrica
DG Telefonia
Protetor contra
sobretensões
TAP
TAT
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).
IF
L1
U0
L2
L3
IF
N
UB
secundário do trafo
IF
UF
RB
Figura 15
18
IF
TAT = Terminal de aterramento
de telefonia
TAP = Terminal de aterramento
principal
Figura 20
Havendo outras linhas metálicas que penetrem na edificação vindas do exterior (TV a
cabo, cabos de antenas de TV, cabos de sinal - dados, controle, instrumentação, etc. - e
outros), todos deverão ser objeto de proteção contra sobretensões, mediante a instalação de
protetores adequados.
Deve-se ressaltar que nenhum protetor contra sobretensões funcionará corretamente se
não existir o condutor de proteção e um sistema de aterramento adequado.
No caso de linhas de sinal, o uso de fibras ópticas, por sua natureza imune a interferências eletromagnéticas, dispensa o uso de protetores contra sobretensões.
9.4 - Proteção de equipamentos eletrônicos
9.4.1 - Características e evolução dos sistemas de aterramento para
equipamentos eletrônicos sensíveis
Podemos estabelecer a seguinte seqüência histórica em relação à aplicação dos
sistemas de aterramento para equipamentos eletrônicos sensíveis:
IF
RA
a) Utilização do próprio sistema de aterramento de força para os equipamentos
sensíveis;
b) Utilização de um sistema de aterramento independente, “isolado” do sistema
de aterramento de força;
23
9.3 - Proteção contra sobretensões
Esquema TN
Todas as vezes que ocorrem chaveamentos dos circuitos ou de cargas nas instalações
elétricas, elas ficam sujeitas à sobretensões. Também quando caem raios diretamente ou
nas vizinhanças das redes elétricas, são geradas sobretensões no sistema de alimentação.
Essas sobretensões, quando ultrapassam os limites suportáveis pelos equipamentos,
podem danificá-los. Isso significa a perda de aparelhos eletrônicos sensíveis, seus
programas, a comunicação entre sistemas, enfim, prejuízos diretos e indiretos de grande
monta.
Para proteger as instalações elétricas e seus componentes contra os danos provocados
por sobretensões, são empregados diversos tipos de dispositivos como: centelhadores a gás,
centelhadores a ar, varistores, diodos especiais e pára-raios de linha. Todos têm em comum
o fato de "desviarem" do circuito de alimentação o excesso de tensão que poderia provocar
o dano na instalação. Esse "desvio" utiliza sempre o sistema de aterramento como caminho
preferencial.
Cada tipo de dispositivo contra sobretensões possui suas vantagens e desvantagens e são
recomendados mais para uma certa aplicação do que para outra. Conhecer em detalhes os
funcionamentos e características de cada um deles é fundamental para a escolha adequada
do dispositivo. Para tanto, consultar os dados dos fabricantes é essencial, além da literatura
disponível sobre o assunto [2].
A figura 19 mostra o esquema de ligação de alguns protetores contra sobretensão.
Como regra geral, todos os aparelhos eletrônicos devem ter suas massas ligadas ao
condutor de proteção e devem ser protegidos por dispositivos contra sobretensão.
Os terminais "terra" desses protetores devem ser ligados ao condutor de proteção dos
circuitos. Na entrada da instalação de força, deve ser instalado um pára-raios de linha de
baixa tensão entre cada condutor vivo (fases e neutro) e o TAP.
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.
F
IF
N
PE
L1
UO
L2
F
Protetor contra sobretensão
F
L3
N
N
PE
IF
Dispositivo de
seccionamento
secundário do trafo
F
F
N
Protetor contra
sobretensões
TAP
22
Figura 19B
Proteção geral contra
sobretensões na entrada
da instalação.
UB
IF
UF
Figura 19A
Proteção contra sobretensão
junto do equipamento.
RB
Figura 16
19
Esquema IT
9.2 - O aterramento na proteção contra descargas atmosféricas
É um esquema parecido com o TT, porém o aterramento da fonte é realizado através
da inserção de uma impedância de valor elevado (resistência ou indutância), conforme
figura 17. Com isso, limita-se a corrente de falta a um valor desejado, de forma a não
permitir que uma primeira falta desligue o sistema. Geralmente, essa corrente não é
perigosa para as pessoas, mas como a instalação estará operando em condição de falta,
devem ser utilizados dispositivos que monitorem a isolação dos condutores, evitando a
excessiva degradação dos componentes da instalação.
O uso dos sistemas IT é restrito aos casos onde uma primeira falha não pode desligar
imediatamente a alimentação, interrompendo processos importantes (como em salas
cirúrgicas, certos processos metalúrgicos, etc.).
IF
L1
U0
L2
L3
IF
N
UB
secundário do trafo
UF
IF
RA
RB
Figura 17
IF
A norma brasileira NBR 5419/93 aborda esse assunto de maneira completa. Sob o ponto
de vista do aterramento, objeto dessa nossa publicação, ele é o meio responsável pelo
escoamento das correntes dos raios no solo, sem provocar tensões de passo perigosas e
mantendo baixa a queda de tensão na resistência de terra [2]. As correntes dos raios
penetram na instalação pelos captores e são conduzidas até o aterramento por meio das
descidas, que são ligadas aos eletrodos de aterramento.
Os eletrodos de aterramento podem ser em cobre, aço galvanizado a quente ou
aço inoxidável, não sendo permitido o uso de alumínio. É possível também utilizar o aço
revestido de cobre (copperweld) com uma camada mínima de 254mm.
O eletrodo de terra pode ter a forma de cabo, barra chata ou redonda ou tubo, com
seções mínimas de 50mm 2 para o cobre, 80mm 2 para o aço galvanizado e 100mm 2 para
aço inoxidável.
Apesar da popularidade dos eletrodos anteriores, é importante destacar que, desde
fevereiro de 1998, a NBR 5410/97 declara como eletrodo de aterramento preferencial das
instalações aquele que utiliza a ferragem da fundação do concreto armado. Essa solução
resulta em uma baixíssima resistência de aterramento (geralmente menor do que 1 Ω ) e,
principalmente, proporciona uma equalização completa dos potenciais das diversas massas
e da estrutura da edificação, graças à interligação com a ferragem das lajes.
Nesse sistema de eletrodo, recomendam
as normas que seja executado um anel
envolvendo as fundações da periferia
da edificação, conforme a figura 18.
Esse anel pode ser realizado com a
própria ferragem envolvida em
concreto ou, o que é mais prático,
com a utilização de um cabo de
cobre nu de seção mínima 25mm 2
enterrado e interligado por conector
apropriado ou solda exotérmica à
ferragem da fundação. Em um ponto
desse cabo de cobre, deriva-se um
outro cabo que será ligado ao TAP
(Terminal de Aterramento
Principal) da instalação.
TAP
Concreto
Ferragem
Figura 18
20
Conector/
solda exotérmica
Anel em cobre de
interligação dos eletrodos
(Smin = 25mm2 )
21
Esquema IT
9.2 - O aterramento na proteção contra descargas atmosféricas
É um esquema parecido com o TT, porém o aterramento da fonte é realizado através
da inserção de uma impedância de valor elevado (resistência ou indutância), conforme
figura 17. Com isso, limita-se a corrente de falta a um valor desejado, de forma a não
permitir que uma primeira falta desligue o sistema. Geralmente, essa corrente não é
perigosa para as pessoas, mas como a instalação estará operando em condição de falta,
devem ser utilizados dispositivos que monitorem a isolação dos condutores, evitando a
excessiva degradação dos componentes da instalação.
O uso dos sistemas IT é restrito aos casos onde uma primeira falha não pode desligar
imediatamente a alimentação, interrompendo processos importantes (como em salas
cirúrgicas, certos processos metalúrgicos, etc.).
IF
L1
U0
L2
L3
IF
N
UB
secundário do trafo
UF
IF
RA
RB
Figura 17
IF
A norma brasileira NBR 5419/93 aborda esse assunto de maneira completa. Sob o ponto
de vista do aterramento, objeto dessa nossa publicação, ele é o meio responsável pelo
escoamento das correntes dos raios no solo, sem provocar tensões de passo perigosas e
mantendo baixa a queda de tensão na resistência de terra [2]. As correntes dos raios
penetram na instalação pelos captores e são conduzidas até o aterramento por meio das
descidas, que são ligadas aos eletrodos de aterramento.
Os eletrodos de aterramento podem ser em cobre, aço galvanizado a quente ou
aço inoxidável, não sendo permitido o uso de alumínio. É possível também utilizar o aço
revestido de cobre (copperweld) com uma camada mínima de 254mm.
O eletrodo de terra pode ter a forma de cabo, barra chata ou redonda ou tubo, com
seções mínimas de 50mm 2 para o cobre, 80mm 2 para o aço galvanizado e 100mm 2 para
aço inoxidável.
Apesar da popularidade dos eletrodos anteriores, é importante destacar que, desde
fevereiro de 1998, a NBR 5410/97 declara como eletrodo de aterramento preferencial das
instalações aquele que utiliza a ferragem da fundação do concreto armado. Essa solução
resulta em uma baixíssima resistência de aterramento (geralmente menor do que 1 Ω ) e,
principalmente, proporciona uma equalização completa dos potenciais das diversas massas
e da estrutura da edificação, graças à interligação com a ferragem das lajes.
Nesse sistema de eletrodo, recomendam
as normas que seja executado um anel
envolvendo as fundações da periferia
da edificação, conforme a figura 18.
Esse anel pode ser realizado com a
própria ferragem envolvida em
concreto ou, o que é mais prático,
com a utilização de um cabo de
cobre nu de seção mínima 25mm 2
enterrado e interligado por conector
apropriado ou solda exotérmica à
ferragem da fundação. Em um ponto
desse cabo de cobre, deriva-se um
outro cabo que será ligado ao TAP
(Terminal de Aterramento
Principal) da instalação.
TAP
Concreto
Ferragem
Figura 18
20
Conector/
solda exotérmica
Anel em cobre de
interligação dos eletrodos
(Smin = 25mm2 )
21
9.3 - Proteção contra sobretensões
Esquema TN
Todas as vezes que ocorrem chaveamentos dos circuitos ou de cargas nas instalações
elétricas, elas ficam sujeitas à sobretensões. Também quando caem raios diretamente ou
nas vizinhanças das redes elétricas, são geradas sobretensões no sistema de alimentação.
Essas sobretensões, quando ultrapassam os limites suportáveis pelos equipamentos,
podem danificá-los. Isso significa a perda de aparelhos eletrônicos sensíveis, seus
programas, a comunicação entre sistemas, enfim, prejuízos diretos e indiretos de grande
monta.
Para proteger as instalações elétricas e seus componentes contra os danos provocados
por sobretensões, são empregados diversos tipos de dispositivos como: centelhadores a gás,
centelhadores a ar, varistores, diodos especiais e pára-raios de linha. Todos têm em comum
o fato de "desviarem" do circuito de alimentação o excesso de tensão que poderia provocar
o dano na instalação. Esse "desvio" utiliza sempre o sistema de aterramento como caminho
preferencial.
Cada tipo de dispositivo contra sobretensões possui suas vantagens e desvantagens e são
recomendados mais para uma certa aplicação do que para outra. Conhecer em detalhes os
funcionamentos e características de cada um deles é fundamental para a escolha adequada
do dispositivo. Para tanto, consultar os dados dos fabricantes é essencial, além da literatura
disponível sobre o assunto [2].
A figura 19 mostra o esquema de ligação de alguns protetores contra sobretensão.
Como regra geral, todos os aparelhos eletrônicos devem ter suas massas ligadas ao
condutor de proteção e devem ser protegidos por dispositivos contra sobretensão.
Os terminais "terra" desses protetores devem ser ligados ao condutor de proteção dos
circuitos. Na entrada da instalação de força, deve ser instalado um pára-raios de linha de
baixa tensão entre cada condutor vivo (fases e neutro) e o TAP.
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.
F
IF
N
PE
L1
UO
L2
F
Protetor contra sobretensão
F
L3
N
N
PE
IF
Dispositivo de
seccionamento
secundário do trafo
F
F
N
Protetor contra
sobretensões
TAP
22
Figura 19B
Proteção geral contra
sobretensões na entrada
da instalação.
UB
IF
UF
Figura 19A
Proteção contra sobretensão
junto do equipamento.
RB
Figura 16
19
•
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 5410/97
em três tipos:
• Esquema TT
• Esquema TN
• Esquema IT
Na entrada de telefonia (no Distribuidor Geral - DG), o terra deve ser ligado ao TAP
da instalação por meio de fita ou cordoalha chata de cobre, devendo ainda ser instalados
protetores de sobretensão adequados (figura 20).
Quadro geral de elétrica
DG Telefonia
Protetor contra
sobretensões
TAP
TAT
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).
IF
L1
U0
L2
L3
IF
N
UB
secundário do trafo
IF
UF
RB
Figura 15
18
IF
TAT = Terminal de aterramento
de telefonia
TAP = Terminal de aterramento
principal
Figura 20
Havendo outras linhas metálicas que penetrem na edificação vindas do exterior (TV a
cabo, cabos de antenas de TV, cabos de sinal - dados, controle, instrumentação, etc. - e
outros), todos deverão ser objeto de proteção contra sobretensões, mediante a instalação de
protetores adequados.
Deve-se ressaltar que nenhum protetor contra sobretensões funcionará corretamente se
não existir o condutor de proteção e um sistema de aterramento adequado.
No caso de linhas de sinal, o uso de fibras ópticas, por sua natureza imune a interferências eletromagnéticas, dispensa o uso de protetores contra sobretensões.
9.4 - Proteção de equipamentos eletrônicos
9.4.1 - Características e evolução dos sistemas de aterramento para
equipamentos eletrônicos sensíveis
Podemos estabelecer a seguinte seqüência histórica em relação à aplicação dos
sistemas de aterramento para equipamentos eletrônicos sensíveis:
IF
RA
a) Utilização do próprio sistema de aterramento de força para os equipamentos
sensíveis;
b) Utilização de um sistema de aterramento independente, “isolado” do sistema
de aterramento de força;
23
c) Utilização de sistema de aterramento radial de “ponto único”;
não conectar à tomada
d) Utilização da Malha de Terra de Referência (M.T.R.), também designada
“Signal Referente Grid” (S.R.G.).
não introduzir
elementos
condutores
estranhos
9.4.2 - Utilização do sistema de aterramento de força
O sistema de aterramento para os equipamentos de força já é bem conhecido,
com longo tempo de utilização e desenvolvimento, funcionando com ótimos resultados
quando bem projetado. Então por que não utilizá-lo também para os equipamentos
eletrônicos?
Este raciocínio natural foi posto em prática quando se começou a utilização dos
equipamentos eletrônicos em larga escala (início dos anos 70) e foi um redundante
fracasso...
As malhas de terra para os equipametos de força são completamente
inadequadas para equipamentos sensíveis, já que, em regime normal, costumam ser
percorridas por correntes de várias origens, denominadas espúrias (provocadas por
correntes anódicas/catódicas, correntes de circulação de neutro, induções
eletromagnéticas diversas, etc).
Em regime transitório (curtos-circuitos para a terra, descargas atmosféricas, etc),
estas correntes podem ser extremamente elevadas. Daí, verificamos que a malha de
potencial fixo, inalterável, necessária aos equipamentos eletrônicos sensíveis, não é
a malha projetada para os sistemas de força.
R
≥ 50kΩ
Figura 13 - Locais não condutores.
I
1kΩ
9.4.3 - Utilização de sistema de aterramento isolado
127V
1kΩ
50kΩ
127V
Descoberta a inadequabilidade das malhas de força para os equipamentos
eletrônicos, o passo seguinte foi estabelecer uma malha de terra “isolada”,
independente, para os equipamentos em questão.
Esta malha, embora tenha tido algum sucesso, pois efetivamente controla
alguns aspectos negativos da malha de força (principalmente reduz as correntes
espúrias que percorrem as mesmas), apresenta alguns incovenientes, a saber:
24
•
o aterramento da carcaça (ou invólucro metálico do painel suporte dos
equipamentos) não é equalizado com o aterramento dos equipamentos
eletrônicos;
•
projetar uma malha de terra “isolada” da malha de força é uma tarefa
altamente inglória e discutível, pois o solo, ainda que seja de elevada
resistividade, é condutor. Assim, existe um acoplamento resistivo (para
baixas freqüências) e capacitivo (para altas freqüências) entre os dois
sistemas considerados “isolados”;
•
não tendo sofrido alteração na sua geometria, a malha apresenta ainda
deficiências construtivas como condutores longos, incapazes de equalizar
altas freqüências e principalmente “loops” (malhas fechadas) características
das malhas industriais.
I
50kΩ (piso)
I =
127V
= 2,5 mA
(1000 + 50000)Ω
Figura 14
•
os mesmos estudos realizados pela IEC concluíram que as pessoas estão livres de
choques perigosos se estiverem submetidas a tensões elétricas inferiores a 50V
(alternados) ou 120V (contínuos), na situação 1 e 25V (alternados) ou 60V (contínuos),
na situação 2.
A situação 1 corresponde a locais "normais" como quartos, salas, cozinhas, lojas,
escritórios e na maior parte dos locais industriais. A situação 2 abrange áreas externas,
locais molhados (banheiros), campings, etc. Assim sendo, se alimentarmos
uma instalação (ou um setor da instalação) com tensões inferiores às mencionadas
garantimos a proteção das pessoas contra choques perigosos.
Infelizmente, na prática, poucos aparelhos podem ser alimentados nessas condições,
uma vez que o usual é dispormos de tensões de 127, 220, 380 e 440V.
A alimentação em tensões inferiores a 50 e 25V limita-se, geralmente, a aparelhos de
iluminação subaquáticos e alguns comandos;
17
•
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 50k Ω . De fato, conforme a figura 14, uma
pessoa de resistência mão-pé da ordem de 1k Ω em série com um piso de 50k Ω ,
submetida a uma tensão fase-terra de 127V, será percorrida por uma corrente elétrica
de aproximadamente 127V / 51 k Ω = 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 > 50k Ω ), o que limita esse tipo de proteção apenas a lugares especialmente
construídos para tal finalidade.
t(ms)
9.4.4 - Aterramento de “ponto único”
Este método representa o passo seguinte na evolução dos sistemas de aterramento
dos equipamentos sensíveis, pois elimina do sistema isolado a sua principal
desvantagem, que é a falta de segurança pessoal originada da diferença de potencial
que pode aparecer entre as duas malhas.
As características principais desse método são:
•
os equipamentos eletrônicos continuam isolados do painel de sustentação.
Suas barras de terra, também isoladas, são ligadas através de condutores
isolados, radiais, a uma barra de terra geral, comumente situada no quadro
de distribuição de força dos equipamentos. Esta barra também é isolada do
quadro de distribuição, mas conectada através de um cabo isolado a um
único ponto do sistema de aterramento de força. Portanto, equalizam-se as
duas malhas através desta conexão;
•
as carcaças dos painéis de sustentação são ligadas ao sistema de aterramento
de força de forma convencional, isto é, de modo a permitir o retorno das
correntes de curtos-circuitos originadas pela falha na isolação de alimentação
de força dos equipamentos eletrônicos.
10000
5000
2000
Quando existe um quadro de distribuição de força único para os referidos
equipamentos, a melhor forma é aterrar suas carcaças através de cabos isolados
ligados radialmente na barra do quadro de distribuição.
Este quadro pode possuir, portanto, três “barras de aterramento”:
1000
500
2
1
3
4
200
•
•
100
50
•
20
10
0,2
0,5
1
2
5
10 20 30 50 100 200
500 1000 2000
lc(mA)
Esta última barra, como já descrito, está ligada através de cabos isolados radiais
nas barras de terra (barra de referência) dos equipamentos eletrônicos e a um único
ponto do sitema de força.
Legenda
1 - Nenhum efeito perceptível.
2 - Efeitos fisiológicos geralmente não danosos.
3 - Efeitos fisiológicos notáveis (parada cardíaca,
parada respiratória, contrações musculares)
geralmente reversíveis.
barra de neutro (ligada à carcaça do quadro);
barra de terra, que recebe os cabos radiais de aterramento das carcaças dos
quadros de sustentação dos equipamentos eletrônicos (também ligada à
carcaça do quadro);
barra de terra isolada da carcaça (própria para aterramento dos equipamentos
eletrônicos).
4 - Elevada probabilidade de efeitos fisiológicos
graves e irreversíveis: fibrilação cardíaca,
parada respiratória.
Gráfico 1 - Zonas tempo-corrente de efeitos de corrente alternada (15 a 100Hz) sobre pessoas
16
25
Quando o sistema de aterramento de força é de alta resistência (digamos maior
do que 10Ω, conforme a NBR 5419), pode-se utilizar um sistema local de eletrodos
auxiliares para os equipamentos eletrônicos, com a finalidade de diminuir a resistência
total de aterramento para um valor próximo a 10Ω.
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.
A barra de terra dos equipamentos eletrônicos, situada no quadro de distribuição,
deve ser ligada a esses eletrodos através de cabo condutor isolado.
O esboço da malha de aterramento de ponto único está apresentado na figura 21.
Equipamento
eletrônico
Quadro de distribuição
F
F
F
CPE
N
F
TE
F
F
F
F
N
Sistema de
alimentação
de força
Equipamento
eletrônico
F
N
TP
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.
TE
CPE
Proteção
contra choques
CTE
CTE
CP
TE
CTE
Proteção de
equipamentos de
informações
Condutor isolado
Proteção
contra
sobretensões
Proteção
contra descargas
atmosféricas
Proteção
contra descargas
eletrostáticas
Terra auxiliar
local, se necessário
Legenda
F - Fase
N - Neutro
T.P. - Barra de aterramento que recebe o
condutor de proteção (retorno de defeito
fase-terra.
T.E. - Barra de terra de referência para
equipamentos eletrônicos - isolada do
quadro.
C.P.E. - Condutor isolado de proteção dos quadros
de equipamentos eletrônicos.
C.T.E. - Condutor isolado de aterramento das T.E.
C.T. - Condutor isolado de aterramento da T.E.
do quadro de distribuição.
C.P. - Condutor de aterramento da T.E. do quadro
de distribuição.
Figura 21 - Sistema de aterramento de ponto único para equipamentos eletrônicos (sem transformador
de isolamento).
26
Figura 12
Aterramento único
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:
15
Os metais com valores positivos na tabela 1 irão ser corroídos (ânodos), enquanto que
aqueles com valores negativos estarão protegidos e não apresentarão corrosão (cátodos).
Assim, quando ferro e cobre estão próximos, o primeiro sofrerá corrosão.
Deve-se notar que barras de ferros embutidas em concreto (como no caso das
fundações das edificações) têm aproximadamente o mesmo potencial que o do cobre,
significando que, praticamente, não sofrerão os efeitos de corrosão. O uso da solda
exotérmica nas conexões enterradas cobre-ferro (ou aço) também garante a proteção
contra corrosão entre os dois metais.
Ligação equipotencial (externa)
Fluxo de
corrente
Nível de solo
Corrente
Canalização
metálica
(ferro)
Eletrodo de aterramento
de cobre
Corrosão
0.38 volts
Figura 11
-
+
Ânodo
Cátodo
TA B E L A 1 - S É R I E E L E T R O M OT I VA D O S M E TA I S
Metal
Bário
Cálcio
Sódio
Magnésio
Alumínio
Zinco
Níquel
Chumbo
Ferro
Hidrogênio
Bismuto
Cobre
Prata
Mercúrio
Ouro
14
Potencial (V)
2,90
Extremidade Anódica (Básica)
2,87
2,71
2,40
1,70
0,76
0,23
0,12
0,04
0,00
-0,23
-0,34
-0,80
-0,80
-1,50
Extremidade Catódica (Nobre)
A filosofia de ponto único deve sempre manter uma ligação única entre os
sistemas de aterramento de força e o sistema de aterramento de referência dos
equipamentos eletrônicos sensíveis.
A conexão acima descrita é um reconhecido avanço na metodologia de aterramento
dos equipamentos sensíveis, mas ainda possui alguns incovenientes.
O maior deles é a incapacidade dos condutores de aterramento longos de equalizar
as barras de terra nos casos em que são percorridos por correntes de freqüência elevada.
Outro incoveniente é o acoplamento capacitivo entre o terra do equipamento
eletrônico e a carcaça do painel de sustentação, já que são localmente isolados.
Este acoplamento pode formar loops para altas freqüências, resultando em correntes
circulantes que produzem ruídos, alterando o potencial da barra de referência.
Estes incovenientes são reduzidos quando os cabos de aterramento são curtos,
como por exemplo, no caso de se aterrar um ou poucos equipamentos, situados
próximos do quadro de distribuição.
9.4.5 - Malha de Terra de Referência (M.T.R.)
No estágio atual, a mais recente técnica de aterramento de equipamentos sensíveis
consiste em se utilizar a Malha de Terra de Referência (M.T.R.).
Seu objetivo básico é o de cancelar o grave inconveniente de todos os tipos de
malhas anteriores, no que concerne à incapacidade das mesmas de equalizar as barras
de terra dos diversos equipamentos eletrônicos para altas freqüências, permitindo
então a entrada de ruídos indesejáveis nestes mesmos equipamentos.
Como já foi abordado, as fontes de ruídos são bastante diversificadas, incluindo-se
rádio-freqüências (R.F.) e freqüências mais elevadas na faixa de MHz provocadas, por
exemplo, pelo próprio computador ou seus periféricos (atualmente existem computadores
operando com 300MHz, mas estão prontos “Chips” para operação em 1GHz).
A construção das M.T.R., é baseada nas pesquisas de condução de sinais de alta
freqüência em cabos condutores (linhas de transmissão), pesquisas estas que estabeleceram
que “se o comprimento do condutor não for maior do que 1/10 a 1/20 do comprimento
de onda do sinal transmitido, então a diferença de potencial estabelecida entre as
extremidades do condutor é praticamente desprezível”.
Para um sinal de 60MHz, um vigésimo do seu comprimento de onda equivale a
cerca de 30cm.
Portanto, se for construída uma malha de condutores espaçados entre si com esta
distância e interconectados nos seus cruzamentos, será criado um grande número de
circuitos paralelos de baixa impedância, os quais funcionarão praticamente como
curto-circuito para o espectro de freqüências desde 60Hz (freqüência industrial)
até 60MHz.
Pode-se perceber, por extensão, que uma “chapa” equalizaria qualquer freqüência
por mais elevada que fosse, uma vez que seria nulo o espaçamento entre condutores.
O condutor ideal para altas freqüências é a “fita”. Logo a M.T.R. deve, em princípio,
ser executada com estes condutores. Entretanto, a execução física da M.T.R. com fitas
é mais trabalhosa e requer equipamentos de execução de solda mais difíceis de serem
encontrados e operados.
27
A construção com cabos de seção circular, mantido o espaçamento anteriormente
citado, é completamente satisfatória, com a vantagem de ser adquirida no mercado,
pré-fabricada, em diversas bitolas dos condutores.
Deve ser observado que a função básica desta malha é a equalização de potenciais
e não a condução de correntes de curtos-circuitos. Isto siginifica que os condutores de
proteção para retorno de curtos-circuitos fase-terra devem continuar existindo,
dimensionados segundo a norma de instalação (NBR 5410/97).
A M.T.R. dever ser obrigatoriamente conectada ao sistema de aterramento de
força, para eliminar diferença de potencial já comentada, embora, sob o ponto de vista
teórico, ela funcione até mesmo suspensa no ar. Podem existir um ou mais pontos de
conexão, pois estes não interferem no funcionamento da M.T.R. Todas as carcaças e
barras de terra de referência dos quadros de equipamentos eletrônicos sensíveis,
assim como partes metálicas e demais equipamentos integrantes do ambiente, como
eletrodutos, colunas metálicas, quadros de distribuição, etc., devem ser ligados à M.T.R.
através de cordoalhas ou fitas de cobre. Pode-se também utilizar os suportes metálicos
do piso falso como parte integrante da própria M.T.R.
A figura 22, mostra o sistema de aterramento utilizando uma M.T.R.
Equipamento
eletrônico
Quadro de distribuição
F
F
F
N
TP
CPE
F
TE
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.
F
F
F
F
N
Equipamento
eletrônico
CPE
F
N
TE
Sistema de
alimentação
de força
Malha de terra
de referência
Malha de terra de força
Notas
1 - Ver legenda na figura 21
2 - A conexão da barra de terra de referência dos
equipamentos eletrônicos (T.E.) à M.T.R. deve
ser feita preferencialmente com fita ou
cordoalha, de comprimento máximo igual ao
adotado entre condutores da M.T.R.
Figura 22 - Sistema de aterramento utilizando a M.T.R.
28
3 - A conexão de equalização entre a M.T.R.
e a malha de terra de força é para baixas
freqüências, principalmente para atender o
critério de segurança pessoal. Podem existir
mais de uma dessas conexões, sem prejuízo
para o funcionamento do sistema.
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.
13
9.4.6 - O princípio de funcionamento da M.T.R.
Estrutura
metálica
Haste de
aterramento
Metal
Conforme mencionado anteriormente, sabe-se da teoria de comunicação de
ondas conduzidas que, se o comprimento físico do condutor é da ordem de grandeza
do comprimento de onda da própria onda, então existirão diferenças de potencial ao
longo do condutor. Por outro lado, se o comprimento físico é muito menor (10 a 20
vezes menor) que o comprimento de onda, então as diferenças de potencial ao longo
do condutor são mínimas (este aliás, é o critério utilizado, em estudos de transitórios,
quando se modela uma linha através de parâmetros distribuídos ou concentrados).
Portanto, se construirmos uma malha de aterramento cuja malha (Mesh) seja
muito menor que o comprimento de onda da maior freqüência interferente, não
existirão diferenças de potencial apreciáveis entre dois pontos quaisquer da malha.
Na figura 23, estão resumidos os critérios e fórmulas de determinação da distância
entre condutores.
d
Figura 10B - Eletrodo fabricado.
Concreto
y
d = ——
20
c
y = ——
f
c
d = ——
20f
d
d=
y
=
c=
f=
Figura 10A - Eletrodos naturais.
comprimento do “Mesh” da malha (m)
comprimento de onda (m)
velocidade da luz = 3 x 108 m/s
freqüência (Hz)
Ferragem
Figura 23 - Determinação do “Mesh” da malha de referência.
Concreto
Fita de cobre /
cabo de cobre enterrado
O critério atual é adotar uma freqüência no espectro de rádio-freqüência
(30MHz), que atende à maioria das interferências presentes nos meios industriais e
comerciais, incluindo-se as descargas atmosféricas.
Casos especiais devem ser analisados à parte. Portanto, a malha de terra de referência
projetada segundo este critério será um plano de referência, sem perturbações, tanto
para freqüências baixas (60Hz), como para rádio-freqüências da ordem de 30-60MHz.
9.4.7 - Condutor da M.T.R.
Figura 10D - Outros eletrodos.
Concreto
Ferragem
Figura 10C - Eletrodos encapsulados em concreto.
12
A malha de terra de referência não é projetada para retorno de correntes de
curto-circuito.
As correntes de curto-circuito fase-terra de cada equipamento devem retornar
pelo condutor individual de proteção (P.E.) que deve sempre estar no mesmo invólucro
dos condutores fase e neutro, a fim de reduzir a impedância de retorno (Seq. Zero).
Como a malha é projetada para altas freqüências, apenas a periferia do condutor
será, em geral, utilizada para conduzir as correntes circulantes (devidas ao efeito
pelicular).
29
Portanto, o critério de dimensionamento é apenas mecânico. Podemos utilizar
cabos com seções compreendidas entre 6mm 2 e 16mm 2, dependendo da situação de
montagem.
Como a área externa do condutor é que será utilizada, uma fita (de largura, por
exemplo, 20mm), possuindo área externa maior, apresentará melhor desempenho,
devido à sua menor impedância para altas freqüências. Quanto maior for a relação
largura / espessura da fita, melhor aproveitamento haverá. No entanto, por razões
mecânicas, não se recomenda utilização de fita com espessura inferior a 0,4mm.
Independentemente do tipo de condutor utilizado (redondo ou chato), todos os
pontos de cruzamento devem ser metalicamente ligados entre si, utilizando-se,
preferencialmente, solda prata ou latão.
Existe a possibilidade de se utilizar malhas pré-fabricadas. No Brasil, geralmente,
são disponíveis malhas com condutores redondos, comercializadas em rolos de 3 x 6m.
9.4.8 - A localização da M.T.R.
A malha de terra de referência deve ser montada sob os equipamentos
eletrônicos sensíveis a uma distância tal que o comprimento entre as barras de terra
lógicas destes e a M.T.R., não ultrapasse a distância do “Mesh”. As melhores soluções
para se conseguir este objetivo são as seguintes:
• utilização de um piso falso com a malha situada no fundo do mesmo.
Naturalmente, a construção da malha deve ocorrer antes do lançamento
dos cabos de sinais;
• pode-se construir a malha suspensa, fixada firmemente (através de conectores)
nos suportes do piso falso. Esta opção é mais trabalhosa e mais cara que a
primeira, devendo ser utilizada somente em locais com cabos já lançados
(“Retrofit”);
• a malha de terra de referência pode ser embutida na superfície do piso, no
concreto estrutural. Neste caso, deve-se deixar os pontos de conexão acessíveis;
• quando no piso existir galeria, a malha de terra de referência pode ser presa no
seu teto (isto é, no caso em que os equipamentos se situem no nível superior
do piso).
9.4.9 - Conexão dos terras lógicos à M.T.R.
Os terras lógicos dos equipamentos sensíveis devem ser ligados à malha de terra
de referência por meio de condutores chatos (cordoalhas) ou fitas.
Para facilitar a conexão à malha, pode-se utilizar placas metálicas de conexão,
interligadas ao “Mesh” da malha nos quatro lados. Estas placas, ligadas à malha através
de condutores / solda exotérmica, permitem mais uma base metálica que facilita a
conexão de cabos, cordoalhas, etc.
30
7 . E l e t ro d o s d e a t e r r a m e n t o
7.1 - Tipos de eletrodos
Basicamente, os eletrodos de aterramento podem ser divididos em alguns tipos, a saber:
a) Eletrodos existentes (naturais)
Prédios com estruturas metálicas são normalmente fixados por meio de longos
parafusos a seus pés nas fundações de concreto. Esses parafusos engastados no
concreto servem como eletrodos, enquanto que a estrutura metálica funciona
como condutor de aterramento.
Na utilização desse sistema, deve-se assegurar que haja uma perfeita continuidade
entre todas as partes metálicas (verifica-se a resistência de aterramento). Também
deve ser realizada a ligação equipotencial entre as partes metálicas que,
eventualmente, possam estar desconectadas da estrutura principal;
b) Eletrodos fabricados
Normalmente são hastes de aterramento. Quando o solo permite, geralmente,
é mais satisfatório o uso de poucas hastes profundas do que muitas hastes curtas;
c) Eletrodos encapsulados em concreto
O concreto em contato com o solo é um meio semicondutor com resistividade da
ordem de 3000 Ω cm a 20 °C, muito melhor do que o solo propriamente dito.
Dessa forma, a utilização dos próprios ferros da armadura da edificação, colocados
no interior do concreto das fundações, representa uma solução pronta e de ótimos
resultados.
Qualquer que seja o tipo de fundação, deve-se assegurar a interligação entre os
ferros das diversas sapatas, formando assim um anel. Esse interligação pode ser
feita com o próprio ferro da estrutura, embutido em concreto ou por meio do uso
de cabo cobre.
A resistência de aterramento total obtida com o uso da ferragem da estrutura
ligada em anel é muito baixa, geralmente menor do que 1 Ω e, freqüentemente,
ao redor de 0,25 Ω .
Observe-se que apenas os ferros da periferia da edificação são efetivos, sendo
muito pequena a contribuição da estrutura interna.
d) Outros eletrodos
Quando o terreno é muito rochoso ou arenoso, o solo tende a ser muito seco
e de alta resistividade.
Caso não seja viável o uso das fundações como eletrodo de aterramento, fitas
metálicas ou cabos enterrados são soluções adequadas técnica e economicamente.
A profundidade de instalação desses eletrodos, assim como as suas dimensões,
influenciam muito pouco na resistência de aterramento final.
11
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 25 Ω 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 (25 Ω /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 equipotencialidade 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.
Quando o comprimento do terra lógico à malha exceder a distância do “Mesh”
da malha, utilizar cordoalha ou fita de maior largura (mínimo de 40mm).
No caso de uma sala com malha de referência, e que possua tomadas no piso
ou nas paredes, o terceiro piso da tomada, deverá ser ligado simultaneamente na
malha de referência e no condutor terra (P.E.) que procede do quadro de distribuição
que alimenta as tomadas.
A distribuição dos condutores terra (P.E.) deverá ser radial, sem formar “loops”.
9.4.10 - A interligação da Malha de Terra de Referência à Malha do Sistema de
Força - Equalização de potencial
Sob o ponto de vista teórico, a malha de terra de referência funciona sem
nenhuma conexão à terra (suspensa no ar, por exemplo), já que a equalização de
potencial é feita em função do seu “Mesh”, definido conforme o comprimento de onda
da maior freqüência interferente. No entanto, como visto, é necessário que ela seja
interligada à malha de força para cumprimento da condição de segurança pessoal
(NBR 5410/97).
Por garantia, é desejável a interligação intencional à malha de força através de
trajetos conhecidos, em pelo menos em dois pontos (figura 24).
Quadro
elétrico
Terminal de aterramento do
quadro de força
p/ TAP
p/ TAP
1000A
I
∆U muito pequeno
∆U = 12500V
Conexão
exotérmica
Resistência elétrica nesse trecho
extremamente reduzida
Cabo de interligação
com o aterramento de força
15 cm
A terra é
um condutor ruim
em relação aos
materiais metálicos
Malha de terra de referência
{
Malha metálica
Figura 24
R T =25Ω
Figura 9A - Tensão desenvolvida na
vizinhança de um eletrodo
de aterramento.
10
Painel típico
a ser aterrado
Figura 9B
31
Além da interligação intencional à malha de força, a malha de terra de referência
deve também ser interligada intencionalmente a todos os componentes metálicos
presentes no seu ambiente (figura 25), tais como:
Equipamento
• colunas metálicas;
Aterramento do
funcional do
equipamento
• eletrodutos, que chegam ou saem no ambiente da malha;
• carcaças metálicas dos quadros de comando, de força e de instrumentação;
(∆U ruído de modo comum)
• armários metálicos diversos;
• equipamentos de ar condicionado;
Aterramento de carcaça
• tubulações de água e de incêndio, entre outros.
Potencial de terra
Figura 8
5.5 - Potencial transferido
Coluna metálica
Quadro elétrico
Qualquer equipamento
metálico
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.
Qualquer objeto
metálico
Malha de terra de referência
6. Ligação à terra
Figura 25
A filosofia portanto é de equalização de potencial, através da conexão em
múltiplos pontos.
32
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.
9
5.4 - Ruído de modo comum
Quando todos os condutores de um sistema de sinal ou de força possuem uma diferença
de potencial idêntica em relação a uma referência, essa tensão é chamada de tensão ou
sinal de modo comum. Se essa tensão não é desejada, é geralmente chamada de ruído.
Essa referência normalmente é a terra ou a carcaça do equipamento, que podem também
estar no mesmo potencial. Os equipamentos eletrônicos freqüentemente apresentam uma
sensibilidade aguçada em relação aos ruídos de modo comum entre os condutores de
alimentação (força) e a terra, que podem afetar tanto os sinais analógicos como os digitais.
O ruído de modo comum ocorre quando existe uma diferença de potencial entre o terra
ao qual a fonte de energia se refere e o terra ao qual o equipamento se refere. Há sempre
um acoplamento resistivo ou capacitivo entre os circuitos internos do equipamento e sua
carcaça. A diferença de potencial pode ser criada quando circula uma corrente pelo condutor
de proteção ou pela terra, entre a carcaça do equipamento e o aterramento da fonte de alimentação.
9.4.11 - Outros aspectos importantes relacionados com o aterramento de
equipamentos eletrônicos sensíveis
A malha de terra de referência é a solução ideal para o aterramento confiável de
um conjunto de equipamentos sensíveis agrupados em um mesmo ambiente, sendo
esta a solução natural para CPD’s, salas de controle com PLC’s, centrais telefônicas,
estações de rádio, equipamentos gerais de informática e comunicação de dados, etc.
Quando for difícil sua aplicação, principalmente para um número pequeno
de equipamentos ou equipamentos muito espalhados, pode-se utilizar o método de
aterramento de ponto único ou então utilizar uma placa metálica que simule a malha
de terra de referência (“Transient Supressor Plate”).
De qualquer forma, a malha de terra de referência ou qualquer outro sistema
de aterramento, não garantem, sozinhos, o bom desempenho dos equipamentos
sensíveis.
É obrigatório que sejam realizados ainda os seguinte complementos:
Pela terra circulam muitas correntes parasitas, causando pequenas diferenças de
potencial entre pontos. Essas correntes podem ser de freqüências diferentes da industrial
(60 Hz) ou, mesmo se forem de frequência industrial, podem conter harmônicas ou
transitórios devidos a chaveamentos, manobras e outros fenômenos. Portanto, se a carcaça
do equipamento estiver ligada à terra, qualquer potencial que se estabeleça entre essa
ligação e o ponto de aterramento do sistema pode ser acoplado no interior do circuito
eletrônico.
• executar uma blindagem externa do edifício (ou blindagem interna na sala que
abrigue a malha) contra descargas atmosféricas diretas e indiretas; utilizando,
necessariamente, a Gaiola de Faraday, com “Mesh” adequado (Nivel I,
NBR 5419). A intenção é reduzir o campo eletromagnético no volume interno
onde estão situados os equipamentos eletrônicos sensíveis e, portanto, reduzir
também as interferências irradiadas via ar. A Proteção Franklin não é adequada
neste caso;
A carcaça do equipamento pode ser mantida no mesmo potencial do terra do sistema se
o condutor de proteção do equipamento for de baixa impedância e não estiver ligado à terra
em nenhum ponto, exceto no ponto de aterramento da alimentação, assim chamado de
"aterramento de ponto único". A diferença de potencial entre os pontos de aterramento da
fonte e do equipamento não deve ser suficiente para causar choques nas pessoas e não deve
possibilitar o acoplamento resistivo ou capacitivo em uma intensidade tal que possa criar
um ruído indesejado.
• aplicar protetores de surtos no início e fim de cada interface longa, não óptica,
dos cabos de comunicação de sinais. As interfaces longas a considerar são
aquelas entre edifícios ou dentro de um mesmo edifício;
A ligação do aterramento do equipamento a um eletrodo que seja física e eletricamente
separado dos eletrodos de aterramento do sistema elétrico e da estrutura da edificação
provocará, inevitavelmente, um ruído de modo comum. A intensidade desse ruído pode ser
destrutiva para o equipamento e perigosa para as pessoas, uma vez que uma falta no sistema
elétrico pode elevar o potencial do sistema ou da estrutura centenas ou milhares de volts
acima da referência de terra.
• escolher criteriosamente o sistema de alimentação elétrica dos equipamentos
sensíveis, de forma que estes sejam protegidos contra surtos de tensão,
transitórios, harmônicos e outros fenômenos. Deve-se ainda proceder a uma
avaliação na qualidade de energia local e estudar a necessidade de se implantar
energia ininterrupta. Em geral, nos sistemas com equipamentos sensíveis de
grande importância, a alimentação elétrica deve ser executada através de sistema
de alimentação não interruptível (“No Breaks”). Deve ser observado que os
estabilizadores de tensão, largamente utilizados no Brasil, geralmente, não
possuem resposta para fenômenos transitórios rápidos, corrigindo apenas
variações lentas de tensão;
• escolher, criteriosamente, a rota e forma de instalação de cabos de comunicação
de sinais sensíveis em bandejas, eletrodutos, redes de dutos, “pipe-racks”, etc.
Em geral, os cabos de comunicação de sinais sensíveis devem ser instalados em
eletrodutos (ou calhas fechadas) metálicos, contínuos e multi-aterrados.
Em bandejas, os cabos sensíveis devem se situar em distâncias progressivas em
relação ao nível de tensão mais alto, atendendo às normas de compatibilidade
eletromagnética;
8
33
• escolher uma forma adequada de aterrar as blindagens dos cabos, levando-se
em conta a freqüência de comunicação e o sistema de aterramento utilizado.
Como recomendação geral, em baixas freqüências (dezenas de kHz), a
blindagem pode ser aterrada somente em uma extremidade. Já em altas
freqüências (centenas de kHz ou faixa de MHz), é recomendável o aterramento
nas duas extremidades. Neste último caso, a blindagem deve ser protegida por
um condutor externo ao cabo, bitola mínima 16mm 2 (critério mecânico) a fim
de evitar que a mesma seja danificada por correntes transitórias.
O cabo em questão deve ser aterrado também nas duas extremidades.
9.4.12 - Complementos ao sistema de aterramento
Deve ser notado que, mesmo sendo uma malha de aterramento de melhor
concepção, a M.T.R. tem ação limitada pois atua apenas equalizando as barras de terra
dos equipamentos eletrônicos sensíveis a ela conectados através de condutores (fitas
ou cordoalhas) curtas.
Uma situação importante e bastante comum a ser analisada é a interconexão de
equipamentos situados em prédios ou locais distantes entre si.
Embora em cada prédio ou edifício possa existir uma malha de referência, se elas
forem interconectadas através de condutores longos, não se conseguirá equalizá-las
para altas freqüências.
Desta forma, podem surgir diferenças de potencial entre as malhas e, em uma
situação pior, podem ser induzidos surtos de tensão elevados nos cabos que fazem
a conexão dos equipamentos remotos.
Estes surtos são causados, geralmente, por descargas atmosféricas incidentes nos
edifícios ou nas proximidades dos mesmos, e penetram nos cartões de interface através
dos cabos, quer seja na forma de sinal de modo comum (condutores e terra), quer seja
no modo normal (entre condutores).
Em alguns casos, os valores dos surtos são tão elevados que os componentes
eletrônicos dos cartões são literalmente carbonizados. Embora esses surtos de tensão
possam ser atenuados por técnicas de instalação corretas (blindagem dos condutores
através de eletrodutos metálicos, por exemplo), a experiência tem mostrado que estas
técnicas são insuficientes ou, em alguns casos, impossíveis de serem aplicadas, pelo seu
custo excessivo. Nestes casos, a situação pode ser contornada através do emprego de
protetores de surtos adequados, cujo dimensionamento requer um estudo específico, ou
pelo emprego de fibra óptica.
Também podem ser acoplados surtos de tensão através das fontes de alimentação
de força, o que pode ser atenuado pelo emprego de transformadores de isolamento,
associados a protetores de surto convenientes.
Deve ser observado que os transformadores de isolamento atenuam a entrada
de surtos de modo comum (entre fases e terra), mas não evitam a passagem de surtos
no modo normal (entre fases), já que, neste caso, o acoplamento será realizado
através do próprio circuito magnético do transformador.
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
Figura 7A - Tensão de toque.
Potencial
de terra
U passo
Figura 7B - Tensão de passo.
34
7
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.
O transformador de isolamento, é um equipamento que possui uma blindagem
eletrostática (material não magnético como o alumínio, por exemplo), envolvendo
um ou mais de seus enrolamentos. Esta blindagem, sendo aterrada, reduz o acoplamento
capacitivo entre os enrolamentos. Para a maioria das aplicações, uma única blindagem
é suficiente.
9.5 - Proteção contra descargas eletrostáticas
A acumulação de eletricidade estática em equipamentos, materiais armazenados ou
processados e em pessoal de operação introduz um sério risco nos locais onde estão
presentes líquidos, gases, poeiras ou fibras inflamáveis ou explosivas.
A eletricidade estática é, provavelmente, a primeira forma de eletricidade registrada
pela Humanidade, estando reportada em escritos gregos de 600 anos Antes de Cristo.
Ela é gerada pela movimentação dos elétrons que acontece quando materiais diferentes
que estão em contato íntimo são separados. Quando dois materiais bons condutores
elétricos estão em contato e são separados, a maioria dos elétrons em excesso de um
condutor voltará para o outro, antes da separação ser realizada por completo.
Potencial de terra
Plano de referência ”Quieto“
Figura 6
No entanto, se um ou ambos materiais forem isolantes elétricos, os elétrons em excesso
em um deles não voltam para o outro antes da separação, tornando-se, assim, carregado.
De fato, a carga estática é devida a uma deficiência ou a um excesso de elétrons.
Uma superfície que possua uma diferença de um elétron a cada 100.000 átomos está muito
carregada!
A tensão resultante está relacionada com a quantidade de carga depositada no corpo
e com a capacitância desse corpo em relação à sua vizinhança, sendo expressa
por U = Q / C, onde:
5. A lguns conceitos importantes sobre aterramento
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.
U = tensão (volts);
Q = carga (coulombs);
C = capacitância (farads).
Essa tensão, em alguns casos, pode atingir milhares de volts, provocando uma descarga
entre o corpo energizado e outro qualquer.
Muitos problemas de eletricidade estática podem ser resolvidos pela ligação equipotencial
de várias partes dos equipamentos e a ligação à terra de todo o sistema. A ligação
equipotencial minimiza a tensão entre equipamentos, prevenindo descargas entre eles.
O aterramento minimiza a diferença de potencial entre o objeto e o terra. Essas ligações
podem ser feitas por condutores nus ou isolados, utilizando-se o sistema de aterramento
único da edificação.
Deve-se salientar que o aterramento não é a solução única para todos os problemas
de eletricidade estática como, por exemplo, no processamento de materiais isolantes (papel,
roupas, borrachas) ou de líquidos pouco condutivos (refino de petróleo).
Nesses casos, a eletricidade não pode ser removida pelo aterramento ou equipotencialidade
e devem ser adotados outros métodos de controle (por exemplo: ionização, umidificação, etc.).
6
35
10. O aterramento único das instalações elétricas
Em qualquer projeto, deve ser assegurado que todos os tipos de proteções necessárias
(choque, descargas atmosféricas diretas, sobretensões, equipamentos eletrônicos, descargas
eletrostáticas) se juntem em um único ponto de aterramento, garantindo, assim, a tão
desejada e fundamental equipotencialidade.
Terminal de Aterramento Principal - TAP
Esse ponto de convergência do sistema de aterramento de uma instalação elétrica
é o chamado TAP (Terminal de Aterramento Principal).
4.3 - Controle de tensões
O aterramento permite um controle das tensões desenvolvidas no solo (passo, toque e
transferida) quando um curto-circuito fase-terra retorna pela terra para a fonte próxima ou
quando da ocorrência de uma descarga atmosférica no local.
4.4 - Transitórios
O sistema de aterramento estabiliza a tensão durante transitórios no sistema elétrico
provocados por faltas para a terra, chaveamentos, etc, de tal forma que não apareçam
sobretensões perigosas durante esses períodos que possam provocar a ruptura da isolação
dos equipamentos elétricos.
O TAP possui algumas características particulares, a saber:
4.5 - Cargas estáticas
a) Deve ser constituído por uma barra retangular de cobre nu de, no mínimo,
50mm de largura x 3mm de espessura x 500mm de comprimento;
O aterramento deve escoar cargas estáticas acumuladas em estruturas, suportes e
carcaças dos equipamentos em geral.
b) Deve ser instalado isolado da parede (por meio de isoladores de baixa tensão em
epoxi, porcelana, etc.), e o mais próximo possível do nível do solo. Na prática,
geralmente, o TAP é instalado no interior do quadro geral de baixa tensão da
instalação;
c) Deve ser ligado em um único ponto ao anel de aterramento por meio de um cabo
isolado de seção mínima 16mm 2 . Essa ligação deve ser a mais direta e curta possível.
Corpo carregado
isolado da terra
Resistência de aterramento
Com a equipotencialidade assegurada, o valor absoluto da resistência de aterramento
deixa de ser o fator mais importante. No entanto, a NBR 5419/93 recomenda um valor
máximo em torno de 10 Ω . A NBR 5410/97 não traz nenhum valor máximo em particular,
mas apresenta, para o caso da proteção contra contatos indiretos, uma fórmula para a
determinação do valor da resistência, que é dada por R = U L / la, onde:
U L - tensão limite de contato (50V ou 25V, nas situações 1 ou 2);
Ia - corrente de atuação do dispositivo DR (da ordem de 30 mA).
Assim, para 50V e 30 mA, temos R = 1,7k Ω , valor extremamente elevado e muito fácil
de ser obtido. Mesmo para DRs de 500 mA, teríamos uma resistência máxima de
aterramento de 50V/ 500 mA = 100 Ω , também fácil de ser conseguido (figura 26).
∆U ≠ 0
Potencial de terra
Figura 5A - Corpo (estruturas, suportes, carcaças,
etc.) isolado da terra, com carga
acumulada.
∆U = 0
Potencial de terra
Figura 5B - Corpo ligado à terra.
Logo, se for adotado o valor de 10 Ω da norma NBR 5419/93, estará assegurado um bom
valor de resistência de aterramento e fácil de ser obtido, sobretudo se for utilizada a
ferragem das fundações da estrutura.
36
5
4. Funções básicas dos sistemas de aterramento
Podemos resumir as funções de um sistema de aterramento nos seguintes tópicos:
I∆N (dispositivo DR)
id
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.
UB = tensão de contato
limite (50 V)
RA ≤ 50 V
I∆N
RA
Esta condição permite resistências de aterramento
muito elevadas, de fácil realização.
Figura 3A - Com aterramento, a corrente
praticamente não circula pelo corpo.
Figura 3B - Sem aterramento, o único
caminho é o corpo.
Figura 26 - Proteção com dispositivo diferencial-residual.
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.
Um projeto de aterramento moderno, eficiente e integrado
Resumindo tudo o que foi exposto nessa publicação, podemos verificar que um projeto
de aterramento que satisfaça às exigências atuais de funcionalidade e atenda às normas em
vigor deve possuir as seguintes características:
• utilização da ferragem da estrutura, interligada em anel por um condutor de cobre
nu, como eletrodo de aterramento;
Dispositivo proteção
• presença do TAP no quadro geral de baixa tensão, interligado ao anel enterrado por
meio de um cabo de cobre isolado;
• ligações, por meio de cabos de cobre nus ou isolados, de todos os elementos
metálicos não energizados que entram na edificação, tais como tubulações de água,
esgoto, etc, até o TAP. Essas ligações devem ser radiais, as mais curtas possíveis;
• utilização de protetores contra sobretensões na entrada instalação, seja na linha
de força, na linha de telefonia, de sinal etc. Os terminais de terra desses protetores
devem ser ligados ao TAP por meio de cabos de cobre isolados;
Figura 4
4
37
• ligação dos terminais de terra dos protetores de sobretensão instalados juntos aos
aparelhos eletrônicos no interior da instalação, através dos condutores de proteção
dos circuitos terminais até o TAP;
• ligação de todos os terminais de terra dos equipamentos da instalação elétrica
(chuveiros elétricos, torneiras elétricas, aquecedores, motores, etc), através dos
condutores de proteção dos circuitos terminais até o TAP;
• ligação das malhas de aterramento dos equipamentos eletrônicos sensíveis ao TAP
através de condutores de equipotencialidade os mais curtos e retos possível.
Caso não se utilize a malha e sim o sistema de ponto único, ligar os condutores de
proteção ao TAP de forma radial e a mais curta possível;
• ligar todos os condutores de equipotencialidade da instalação ao TAP do modo mais
2. Os objetivos do aterramento do sistema
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.
curto e reto possível.
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 ?
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 instalações 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.
Figura 2
U
Potencial de terra
Sem aterramento, a carcaça assume um potencial elevado em relação à terra
38
3
1. O que é um aterramento elétrico?
11. BIBLIOGRAFIA
O termo aterramento se refere à terra propriamente dita ou a uma grande massa que se
utiliza em seu lugar. Quando falamos que algo está "aterrado", queremos dizer então que,
pelo menos, um de seus elementos está propositalmente ligado à terra.
Em geral, os sistemas elétricos não precisam estar ligados à terra para funcionarem e,
de fato, nem todos os sistemas elétricos são aterrados. Mas, nos sistemas elétricos, quando
designamos as tensões, geralmente, elas são referidas à terra. Dessa forma, a terra
representa um ponto de referência (ou um ponto de potencial zero) ao qual todas as
outras tensões são referidas. De fato, como um equipamento computadorizado se
comunica com outros equipamentos, uma tensão de referência "zero" é crítica para a sua
operação apropriada.
A terra, portanto, é uma boa escolha como ponto de referência zero, uma vez que
ela nos circunda em todos os lugares. Quando alguém está de pé em contato com a
terra, seu corpo está aproximadamente no potencial da terra. Se a estrutura metálica de
uma edificação está aterrada, então todos os seus componentes metálicos estão
aproximadamente no potencial de terra.
[1] " Sistemas de aterramento para equipamentos eletrônicos sensíveis"
Paulo Fernandes Costa, 1998
[2] " Proteção contra descargas atmosféricas" , 3ª edição, 1997
Duílio Moreira Leite e Carlos Moreira Leite
Officina de Mydia
[3] " IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial
Power Systems"
“IEEE Std 142-1991 - Institute of Electrical and Electronics Engineers”, Inc.
[4] "IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Eletronic
Equipment”
“IEEE Std 1100-1992 - Institute of Electrical and Electronics Engineers”, Inc.
[5] "Técnicas de aterramentos elétricos"
Duílio Moreira Leite e Carlos Moreira Leite
Officina de Mydia, 2ª edição, 1996
[6] " A compatibilidade eletromagnética"
Ara Kouyoumdjian, Roland Calvas, Jacques Delaballe
MM Editora/Groupe Schneider, 1998
[7] " Proteção das pessoas contra choques elétricos"
BTicino/Pirelli, 1989
[8] " NBR 5410/1997 - Instalações elétricas de baixa tensão"
Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1997
[9] " NBR 5419/1993 - Proteção das estruturas contra descargas atmosféricas"
Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1993
U
[10] " A power quality primer"
CDA - Copper Development Association Inc., USA, 1998
[11] “ Características e evolução dos sistemas de aterramento para equipamentos
eletrônicos”
Revista Eletricidade Moderna, maio, 1992
Paulo Fernandes Costa
Diferença de
potencial em
relação à terra
[12] “ Grounding for the Control of E.M.T.”
Denny H. G., 1983
[13] “ Transient system analysis on a personal computer”
John Wiley E. Sons
El Chenaver C., 1988
[14] “Grounding and Shielding in Facilities”
John Wiley E. Sons
Morrison R., 1990
Potencial de terra
Estrutura no
potencial de terra
Figura 1
Pessoa no
potencial de terra
[15] “ Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation”
John Wiley E. Sons
Morrison R., 1986
[16] “ Lightining and Lightining Protection”
Hart W. C., 1988
[17] “ Computer Business Equipment Manufactures Association”
A Curva CBEMA - CBEMA
2
39
ÍNDICE
Autores
Hilton Moreno - Engenheiro eletricista, professor da Escola de
Engenharia Mauá - SP, membro do Comitê Brasileiro de Eletricidade
da Associação Brasileira de Normas Técnicas.
Paulo Fernandes Costa - Engenheiro eletricista, professor da UFMG Universidade Federal de Minas Gerais e CEFET - MG, mestre em
1. O que é um aterramento elétrico?
2
2. O s objetivos do aterramento do sistema
3
3. P or que deve-se preferir os sistemas aterrados?
3
4. F unções básicas dos sistemas de aterramento
4
5. A lguns conceitos importantes sobre aterramento
6
6. L igação à terra
9
engenharia elétrica pela UFMG, diretor técnico da Senior Engenharia
e Serviços Ltda.
O Instituto Brasileiro do Cobre - PROCOBRE
promove campanhas de conscientização,
7. E letrodos de aterramento
11
8. A terramento e corrosão
13
9. O aterramento e os diversos sistemas de proteção
15
distribui publicações e patrocina cursos e palestras.
O cobre participa de uma vida melhor.
10. O aterramento único das instalações elétricas
36
11. B ibliografia
39
1
Atualize-se e conheça
as novidades do uso do cobre
em nosso site:
www.procobrebrasil.org
VICTORY 07/01
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