3.1 - Generalidades
Uma conexão à terra apresenta resistência, capacitância e indutância, cada qual influindo na capacidade de condução de corrente para o solo. Portanto, em princípio, não deve se pensar apenas numa resistência de aterramento, mas numa impedância. Para condições de baixa freqüência, baixas correntes e valores de resistividade do solo não muito elevados, são desprezíveis os efeitos capacitivos e de ionização do solo e o mesmo comporta-se praticamente como uma resistência linear.
Nas aplicações de alta freqüência como, por exemplo, em telecomunicações, é necessário considerar o efeito capacitivo, principalmente nos solos de alta resistividade e, também, a influência da reatância indutiva ao longo dos condutores e eletrodos. Tais efeitos estão também presentes para as ondas impulsivas de corrente e tensão, como aquelas associadas a descargas atmosféricas, pois as freqüências representativas desse tipo de onda são bastante elevadas.
(Visacro – 2005, pg. 39, 40).
3.2 - Subsistemas de aterramento
Do ponto de vista da proteção contra o raio, um subsistema de aterramento único integrado à estrutura é preferível e adequado para todas as finalidades, ou seja, proteção contra o raio, sistemas de potência de baixa tensão e sistemas de sinal.
Para assegurar a dispersão da corrente de descarga atmosférica na terra sem causar sobre tensões perigosas, o arranjo e as dimensões do subsistema de aterramento são mais importantes que o próprio valor da resistência de aterramento.
Entretanto, a NBR 5419, recomenda para o caso de eletrodos não naturais, uma resistência de aproximadamente de 10 Ohm, como forma de reduzir os gradientes de potencial no solo e a probabilidade de centelhamento perigoso. No caso de solo rochoso ou de alta resistividade, poderá não ser possível atingir valores próximos dos sugeridos. Nestes casos a solução adotada deverá ser tecnicamente justificada no projeto.
Sistemas de aterramento distintos devem ser interligados através de uma ligação eqüipotencial de baixa impedância. (ABNT NBR 5419, 2005).
3.3 - Conceito e quantificação da “resistência de aterramento”
Por aterramento entende-se a ligação elétrica de um equipamento ou componente de um sistema elétrico à terra por meio de dispositivos condutores de eletricidade adequados. Ao ser percorrido por uma corrente, o aterramento comporta- se como uma impedância complexa. Em condições de baixa freqüência, tal impedância aproxima-se de uma resistência.
O termo adotado para designar a resistência oferecida a passagem de uma corrente elétrica para o solo através de um aterramento é “resistência de aterramento”. Contudo, a designação “resistência de terra” (RT), ganhou força entre os técnicos, sendo hoje a mais empregada.
A quantificação do valor da resistência de aterramento pode ser traduzida através da relação entre o valor da tensão resultante no eletrodo e o valor da corrente injetada no solo através do mesmo: RT = VT / I. (Visacro – 2005, pg. 41, 42).
3.4 - Natureza da resistência de um aterramento
A resistência oferecida a passagem da corrente elétrica através de um eletrodo para o solo tem três componentes principais: (Visacro – 2005, pg. 42).
Resistência própria do eletrodo e das ligações elétricas ao mesmo (usualmente de valor muito reduzido, dada a alta condutividade dos metais empregados);
Resistência de contato entre o eletrodo e a terra adjacente ao mesmo (de valor desprezível se o eletrodo estiver isento de qualquer cobertura isolante, como tintas, óleos e gorduras, e se a terra estiver bem comprimida de encontro a superfície do eletrodo);
Resistência da terra circunvizinha (componente fundamental, que efetivamente determina o valor da resistência de um aterramento bem instalado, e que depende basicamente da resistividade do solo e da distribuição da corrente provinda do eletrodo, esta determinada principalmente pela forma e dimensão do mesmo).
Para se considerar a influência da resistência da terra circunvizinha ao eletrodo, pode-se recorrer a uma estilização que aborda, de forma simplificada, a constituição da resistência de aterramento. Na figura seguinte considera-se o fluxo de uma corrente de condução para um solo homogêneo por meio de um eletrodo de formato hemisférico. Na estilização, o solo é aproximado por um conjunto de fatias hemisféricas de mesma espessura (Δd)e resistividade, cuja área cresce à medida que se afasta do eletrodo (A = 2πr² ). (Visacro – 2005, pg. 43).
Fig. 9 – Modelo de solo homogêneo aproximado por fatias.
Cada fatia de solo apresenta um certo valor de resistência. A soma da resistência de todas as fatias até uma distância infinita resulta no valor da Resistência do Aterramento. Como a espessura é a mesma para todas as fatias, quanto mais próxima do eletrodo está uma fatia, maior é sua resistência, pois a área atravessada pela corrente é menor. Por outro lado, quando a distância ao eletrodo é muito significativa, a área da fatia em consideração torna-se tão ampla que a sua resistência fica desprezível. Assim, quem determina efetivamente o valor da resistência de aterramento é a terra mais próxima do eletrodo, sendo muito reduzida a contribuição das fatias de solo mais distantes. (Visacro – 2005, pg. 43).
Para se considerar os potenciais estabelecidos no solo devido ao fluxo de corrente através do eletrodo, deve-se ressaltar que a corrente (I), que se distribui radialmente e que atravessa cada fatia (em direção ao infinito), é a mesma. Assim, a queda de tensão que ocorre em cada fatia (ΔVI = RII) vai decrescendo à medida que se afasta do eletrodo, pois a resistência da fatia também decresce, devido ao aumento da área atravessada. Admitindo-se um potencial nulo no infinito, o valor do potencial aumenta à medida que se aproxima do eletrodo, devido a queda de tensão no percurso considerado no solo. Percebe-se, ainda, que tal crescimento do potencial tem derivada crescente, pois a contribuição (em queda de tensão) para composição
do potencial é tanto maior quanto mais próxima do eletrodo está a fatia. A curva seguinte ilustra o perfil de potencial no solo. (Visacro – 2005, pg. 44)
Fig. 10 - Perfil de potencial no solo.
O mesmo tipo de estilização é válido para outras configurações de eletrodos (como hastes e eletrodos horizontais). Nesse caso, a forma das eqüipotenciais na região próxima ao eletrodo é semelhante à forma deste, e o mesmo deve ocorrer com o formato das fatias. Contudo, à medida que se afasta deste, a forma das equipotenciais tende a se abaular (o mesmo deve ocorrer com as fatias), logo se aproximando de um hemisfério. A diferença no formato das primeiras fatias resulta, certamente, em valores diferentes para a resistência das mesmas em relação ao caso anterior, o que implica um valor diferente da resistência de aterramento da configuração, ao se compor a soma das resistências das fatias.
Nota-se que tal diferença é devida apenas as camadas de solo mais próximas do eletrodo, que, entretanto, são aquelas que exercem maior influência na composição do valor de RT. (Visacro – 2005, pg. 44, 45).
3.5 - Determinação da resistência de aterramento
O cálculo exato da resistência de aterramento requer a realização de desenvolvimentos analíticos, que podem ser mais simples ou complicados, consoante a configuração dos eletrodos. A resistência de aterramento é definida pela relação entre a elevação de potencial referida ao infinito e a corrente que a gerou. Para fins de ilustração, considera-se a configuração hemisférica da estilização anterior. O
desenvolvimento a seguir ilustra a determinação de tal resistência no caso do eletrodo hemisférico. (Visacro – 2005, pg. 44).
Inicialmente, calcula-se o potencial promovido num ponto x qualquer do solo (a uma distância rx da fonte de corrente, devido ao fluxo dessa corrente em direção ao infinito).
No caso
Logo
Posteriormente, quando se considera o ponto x sobre a superfície do eletrodo, pode se determinar a elevação de potencial do eletrodo em relação ao infinito, devido ao fluxo da corrente I.
A partir daí, se determina o valor da resistência de aterramento.
Uma análise interessante, que pode ser derivada dos desenvolvimentos, refere-se a forma de distribuição de potencial no solo. Percebe-se (através da formulação de Vrx) que tal distribuição corresponde a equipotenciais hemisféricos, exatamente como no modelo “fatiado” do solo. (Visacro – 2005, pg. 45, 46).
Em caso de fluxo de corrente no aterramento, a conseqüente elevação de potencial é transmitida à superfície do solo e pode ser perigosa nas imediações.
Apesar da resistividade homogênea do solo, a resistência do solo por unidade de distância diminui à medida que se afasta do eletrodo. Isto é facilmente compreensível:
apesar da densidade de corrente diminuir à medida que se afasta do eletrodo, a corrente total que se dispersa a partir da superfície do eletrodo é a mesma que
atravessa todas as superfícies correspondentes as equipotenciais. A área da seção do solo atravessada pela corrente vai aumentando a medida que se afasta do eletrodo, resultando na diminuição da resistência dessas seções e, conseqüentemente, em menores quedas de tensão por unidade de comprimento. Dessa forma, a malha e o ponto de potencial zero ficam localizados na terra mais circunvizinha ao ponto de dispersão de corrente, como mostra a figura 11.
Fig. 11 – Distribuição de potencial na superfície do solo.
Percebe-se, ainda, que, por ocasião do fluxo de uma corrente por um eletrodo semi-esférico enterrado ao nível do solo, metade da elevação do potencial do eletrodo localiza-se a uma distância de dois raios do centro da semi-esfera. A quantificação dessa relação deriva diretamente da aplicação da expressão para o potencial: (Visacro – 2005, pg. 46, 47).
A determinação da resistência de aterramento de outras configurações de aterramento segue o mesmo procedimento básico. A diferença fica por conta da forma de distribuição da densidade de corrente no solo, que depende da forma e dimensão do eletrodo e que determina uma formulação específica para o campo elétrico. A integração do mesmo no percurso entre um ponto infinitamente afastado e a superfície do eletrodo fornece o seu potencial. Dividindo-se tal potencial pela corrente,
obtém-se o valor da resistência. Na figura 12 são apresentadas as expressões para cálculo da resistência de aterramento de algumas configurações típicas de aterramento. (Visacro – 2005, pg. 48, 49).
Fig. 12 – Expressões para configurações típicas de eletrodos de aterramento.
3.6 - Requisitos básicos de um aterramento
Para tornar nítidas as características desejáveis para um aterramento, basta considerar as funções fundamentais que o mesmo deve desempenhar: (Visacro – 2005, pg. 50).
Permitir o escoamento para a terra de cargas ou correntes de descarga, constituindo-se em um fator de segurança,
Possibilitar o uso da terra como um condutor de retorno num circuito elétrico,
Influenciar no desempenho eletromagnético do sistema, seja no estabelecimento de referências de potencial ou pela possibilidade de implementação de uma filosofia de proteção baseada na detecção de fluxo de corrente pelo solo,
Limitar os níveis de potenciais ou a distribuição destes a patamares seguros
Ora, para realizar adequadamente essas funções, um aterramento deve apresentar basicamente três características.
Capacidade de condução;
Baixo valor de resistência;
Configuração de eletrodos que possibilite o controle do gradiente de potencial.
De uma forma geral espera-se que um aterramento tenha suficiente capacidade de dispersão para o solo de determinados valores de correntes, sem, contudo, permitir que os potenciais na superfície deste solo atinjam níveis comprometedores a segurança do pessoal, por ocasião de uma falta. Nessa perspectiva, é possível agrupar os aterramentos, consoante seu principal objetivo na aplicação, em: “aterramento de serviço”, quando desempenham efetivamente uma função elétrica no sistema ou circuito elétrico, e “aterramento de segurança”, quando sua finalidade é evitar riscos para a vida no local. (Visacro – 2005, pg. 50, 51).
É difícil se estabelecer qual é um valor razoável de RT de uma forma absoluta. Isso depende da aplicação do aterramento, de fatores técnicos e econômicos. (Visacro – 2005, pg. 51).
Entretanto, em quase todos os casos, deseja-se que a resistência de terra tenha o menor valor possível. Pode ser citado, para se ter uma idéia quantitativa de
RT, que é comum encontrar-se resistência de aterramento de valor menor que 5 Ohms para instalações elétricas de grande porte e de valores na faixa de 40 a 400 Ohms nas redes de distribuição de energia elétrica. Alguns especialistas consideram aterramentos com resistência superior a 25 Ohm condenáveis. Contudo, não parece razoável tal consideração, pois em muitas aplicações o valor da resistência de aterramento não é o ponto fundamental (por exemplo, nos aterramentos para evitar-se o carregamento estático de sistemas eletro-eletrônicos). Por outro lado, em outras situações, não é possível se alcançar valores reduzidos de resistência de aterramento, para as restrições impostas em condições práticas (por exemplo, valores elevadíssimos de resistividade do solo e restrições na dimensão da planta onde o aterramento deve ser instalado). Nesses casos, é possível assegurar o desempenho eficiente do sistema, através da adoção de abordagens mais abrangentes de proteção, que podem incluir práticas de eqüipotencialização e o recurso a técnicas e dispositivos específicos, como transformadores isoladores e supressores de surto.
(Visacro – 2005, pg. 51).
A NBR 5419:2005 recomenda para o caso de eletrodos não naturais, uma resistência de aproximadamente 10 Ohm, como forma de reduzir os gradientes de potencial no solo e a probabilidade de centelhamento perigoso.
3.7 - Fatores que influenciam no valor da resistência de um aterramento
Vários fatores influenciam na resistência de terra de um eletrodo ou de uma associação deles. Das componentes dessa resistência, pesa realmente a resistência da terra mais circunvizinha aos eletrodos. De uma forma genérica pode-se resumir todos os fatores em dois grupos: (Visacro – 2005, pg. 54).
Resistividade do solo nas adjacências dos eletrodos,
Geometria dos eletrodos (dimensão e forma).
Evidentemente, se a resistividade é um fator de influência, também o são todos aqueles fatores que determinam o seu valor. Quanto aos eletrodos, pode-se considerar suas dimensões, forma, número empregado, o posicionamento relativo e o espaçamento entre eles. (Visacro – 2005, pg. 55).
A seguir podemos observar alguns arranjos com eletrodos para formação de sistemas de aterramento. (Visacro – 2005, pg. 55).
Fig. 13 – Expressões para configurações típicas de sistemas de aterramento.
3.8 – Técnicas mais comuns de melhoria da resistência de aterramento
O escoamento da corrente elétrica emanada ou absorvida pelo sistema de aterramento, se dá através de uma resistividade aparente que o solo apresenta para este aterramento em especial. Portanto, serão analisados, inicialmente, os sistemas de aterramento em relação a uma resistividade aparente (ρa). O cálculo da resistividade aparente (ρa) depende do solo e do tipo de sistema de aterramento.
(Kindermann & Campagnolo – 1998, pg. 61).
Muitas vezes, após a instalação de um aterramento, observa-se através de medições que o valor da resistência deste é superior ao valor desejado. Nesses casos empregam-se normalmente algumas técnicas capazes de melhorar (diminuir) o valor da resistência de terra. Essas técnicas atuam, basicamente, modificando a resistividade do solo nas proximidades do eletrodo, ou alterando as condições dos eletrodos de aterramento, ou, ainda, fazendo aplicação dessas duas possibilidades simultaneamente. (Visacro – 2005, pg. 56).
3.8.1 - Dimensionamento de um sistema de aterramento com uma haste vertical
Uma haste cravada verticalmente em um solo homogêneo, de acordo com a figura 14, tem uma resistência elétrica que pode ser determinada pela fórmula abaixo:
(Kindermann & Campagnolo – 1998, pg. 61, 62).
Fig. 14 - Haste cravada no solo.
Onde:
ρa = Resistividade aparente do solo (Ohmen.m) L = Comprimento da haste (m)
d = Diâmetro do círculo equivalente à área da secção transversal da haste(m)
No caso de haste tipo cantoneira, deve-se efetuar o cálculo da área da sua secção transversal e igualar à área de um círculo. Assim: (Kindermann & Campagnolo – 1998, pg. 62).
A figura 15, exemplifica a secção transversal da haste circular e em cantoneira.
Fig. 15 - Secção transversal da haste circular e em cantoneira.
Onde:
d = Diâmetro do círculo equivalente à área da secção transversal da cantoneira
Para haste com secção transversal diferente, o procedimento é o mesmo do caso da cantoneira, desde que a maior dimensão da secção transversal em relação ao comprimento da haste seja muito pequeno.
Nem sempre o aterramento com uma única haste fornece o valor da resistência desejada. Neste caso, examinando-se a fórmula , pode-se saber os parâmetros que influenciam na redução do valor da resistência elétrica. (Kindermann & Campagnolo – 1998, pg. 63).
3.8.2 – Interligação de hastes em paralelo
A interligação de hastes em paralelo diminui sensivelmente o valor da resistência do aterramento. O cálculo da resistência de hastes paralelas interligadas não segue a lei simples do paralelismo de resistências elétricas. Isto acontece devido às interferências nas zonas de atuação das superfícies equipotenciais. A figura 16 mostra as superfícies equipotenciais de uma haste vertical cravada no solo homogêneo. (Kindermann & Campagnolo – 1998, pg. 66).
Fig. 16 – Superfícies equipotenciais de uma haste.
No caso de duas hastes cravadas no solo homogêneo, distanciadas de “a”, a figura 17 mostra as superfícies equipotenciais que cada haste teria se a outra não existisse, onde pode ser observada também a zona de interferência. (Kindermann &
Campagnolo – 1998, pg. 67).
Fig. 17 – Zona de interferência nas linhas eqüipotenciais de duas hastes.
A figura 18 mostra as linhas equipotenciais resultantes do conjunto formado pelas duas hastes. (Kindermann & Campagnolo – 1998, pg. 68).
Fig. 18 – Superfícies equipotenciais de duas hastes.
A zona de interferência das linhas equipotenciais causa uma área de bloqueio do fluxo da corrente de cada haste, resultando uma maior resistência de terra individual. Como a área de dispersão efetiva da corrente de cada haste torna-se menor, a resistência de cada haste dentro do conjunto aumenta. Portanto, a resistência elétrica do conjunto de duas hastes é:
Observe-se que o aumento do espaçamento das hastes paralelas faz com que a interferência seja diminuída. Teoricamente, para um espaçamento infinito, a interferência seria nula, porém, um aumento muito grande do espaçamento entre as hastes não seria economicamente viável. Na prática, o espaçamento aconselhável gira em torno do comprimento da haste. Adota-se muito o espaçamento de 3 metros.
(Kindermann & Campagnolo – 1998, pg. 68).
Na figura 19, é mostrado o comportamento da resistência de um aterramento constituído de uma haste vertical para o acréscimo de hastes verticais iguais em paralelo. (Visacro – 2005, pg. 56).
Fig. 19 – Efeito do paralelismo e do diâmetro das hastes na redução de RT.
3.8.3 – Hastes profundas
O objeto principal é aumentar o comprimento L da haste, o que faz, de acordo com a expressão , decair o valor da resistência praticamente na razão inversa de L. (Kindermann & Campagnolo – 1998, pg. 83).
Na utilização do sistema com hastes profundas, vários fatores ajudam a melhorar ainda mais a qualidade do aterramento. Estes fatores são:
Aumento do comprimento da haste;
Camadas mais profundas com resistividades menores;
Condição de água presente estável ao longo do tempo;
Condição de temperatura constante é estável ao longo do tempo;
Produção de gradientes de potencial maiores no fundo do solo, tornando os potenciais de passo na superfície praticamente desprezíveis.
Assim, devido às considerações acima, obtém-se um aterramento de boa qualidade, com o valor de resistência estável ao longo do tempo. A dispersão de corrente se dá nas condições mais favoráveis, procurando regiões mais profundas de menor resistividade, o que atenua consideravelmente os gradientes de potencial na superfície do solo. (Kindermann & Campagnolo – 1998, pg. 83).
Se o solo é homogêneo, a eficácia da técnica é reduzida para profundidades superiores a 3,5 m. observa-se que, a partir de um certo ponto, a resistência do aterramento diminui pouco para grandes aumentos da profundidade.
O processo pode ser eficiente e se mostra particularmente viável na aplicação de hastes verticais. A figura 20 mostra o comportamento da resistência de terra de uma haste vertical à medida que sua profundidade é aumentada pela emenda de outras hastes. (Visacro – 2005, pg. 57).
Fig. 20 – Efeito da profundidade da haste na redução de RT.
Para a execução desse sistema, usa-se basicamente dois processos que serão vistos a seguir:
a. Bate-estaca
Por este método as hastes são uma a uma cravadas no solo por um bate- estacas. As hastes emendáveis possuem rosca nos extremos e a conexão é feita por luvas. Ver figura 21. (Kindermann & Campagnolo – 1998, pg. 84).
Fig. 21 - Hastes com rosca e luva de conexão.
Um bate-estaca produz, normalmente, 80 batidas/minuto e a haste vai sendo lentamente cravada no solo. Ver figura 22.
Fig. 22 – Bate - estaca e hastes emendáveis.
Dependendo das condições do terreno é possível, por este processo, conseguir até 18 metros de profundidade. (Kindermann & Campagnolo – 1998,
pg. 85).
b. Moto-Perfuratriz
A dispersão das correntes em uma haste profunda se dá praticamente na camada de menor resistividade. Em vista disso, algumas empresas de energia elétrica, ao invés de cravar hastes emendáveis, utilizam a técnica de cavar o buraco no solo e, em seguida, introduzir uma única haste soldada a um fio longo que vai até a superfície. Ver figura 23. (Kindermann & Campagnolo – 1998, pg. 85).
Fig. 23 - Haste profunda.
Recomenda-se também, introduzir no buraco, limalha de cobre. Esta limalha distribuída no buraco vai, lentamente, penetrando no solo, aumentando consideravelmente o efeito da atuação da haste, que facilita a dispersão da corrente no solo, pois se obtém uma menor resistência elétrica do sistema.
O processo de cavar o buraco no solo utiliza uma moto-perfuratriz de poço manual (figura 24). Por este processo pode-se conseguir até 60 metros de profundidade, dependendo, evidentemente, das características do solo. (Kindermann
& Campagnolo – 1998, pg. 85, 86).
Fig. 24 – Perfuração do buraco.
A técnica apresentada na figura 24 tem os seguintes problemas:
(Kindermann & Campagnolo – 1998, pg. 87).
Risco para o operador;
Ruído excessivo causado pelos motores da perfuração e da bomba d’ água.
Para contornar os problemas citados pode-se utilizar as alternativas abaixo:
Moto-perfuratriz acoplada ao braço de um guindaste;