ATERRAMENTO DE TORRES DE TELECOMUNICAÇÃO
JOSÉ OSVALDO SALDANHA PAULINO-EEUFMG
SUMÁRIO
Introdução
1-A descarga atmosférica
2-A torre e a descarga
2.1-Tensões induzidas por descargas laterais
2.2-Descargas diretas
3-A malha de aterramento
3.1-O valor da resistência
3.2-O desenho da malha - equipotenciais
3.3-Tratamento químico
3.4-O material da malha
4-O pára-raios
5-O cabo de descida
6-A proteção do equipamento
6.1-A blindagem eletromagnética
6.2-Os protetores
6.3-O arranjo da fiação
7-A proteção do cabo de áudio
8-Proposta de critérios para projeto de malhas
8.1-Estatística de valores de resistividade do solo em Minas Gerais
8.2-O valor da resistência da malha de aterramento
8.3-Malha de aterramento proposta
9-Aterramento do protetor do telefone
Introdução
A utilização de torres em altos de morros com o objetivo de propiciar meios para telecomunicações é uma prática usual e que tende a aumentar. Hoje são utilizadas torres para microondas, para telefonia celular, para rádios monocanal, etc.
Devido a sua localização elevada geralmente tais torres são bastante expostas aos efeitos das descargas atmosféricas, sejam descargas que caem diretamente na torre, quanto descargas que caem nas proximidades.
Para se minimizar os efeitos destas descargas é usual se projetar e instalar uma boa malha de aterramento na base da torre na tentativa de se propiciar um caminho preferencial para as correntes de descarga atmosférica e assim garantir uma proteção eficaz para os equipamentos e para o pessoal que transita no local.
A definição de uma boa malha de aterramento é feita geralmente a partir do valor da resistência da malha medida em baixa frequencia. A maioria das companhias brasileiras considera que se a malha tiver um valor de resistência abaixo de um valor normalizado a malha está boa.
Tentaremos mostrar neste estudo que tal critério não é suficiente além de que muitas vezes é impossível se atingir os valores sugeridos nas normas. A proteção, seja do equipamento, seja das pessoas, demanda alguns outros critérios além do valor da resistência da malha. O estudo das equipotenciais, o arranjo adequado da fiação do sistema bem como a instalação de dispositivos protetores adequados às vezes são mais importantes que a manutenção de um baixo valor de resistência apenas.
No caso do estado de Minas Gerais, onde a resistividade do solo é alta, às vezes são encontradas instalações onde se gastou muito na malha e as malhas são tão grandes que provavelmente irão cair mais raios na malha do que na torre.
malha, muitas vezes as instalações são alimentadas por redes elétricas de alta tensão o que obriga o projetista a levar em consideração a presença deste sistema no projeto da malha. Acreditamos que os conceitos e critérios aqui apresentados irão na maioria dos casos satisfazer as outras exigências além das descargas atmosféricas.
1- A descarga atmosférica
Estudos e medições dos parâmetros associados às descargas atmosféricas vem sendo feitos há bastante tempo e em varias regiões do planeta.
Apesar do volume de dados obtidos muitas dúvidas permanecem. Os parâmetros e a descrição do fenômeno apresentados a seguir retratam um conjunto de dados que representam uma média dos valores obtidos.
Um descarga para a terra processa-se em várias etapas, começando sob a forma de pequenas descargas originadas na nuvem e em direção a terra, que seguem um percurso tortuoso geralmente ramificando-se. Estas descargas não são contínuas mas se processam em etapas de algumas dezenas de metros e com intervalo de repouso de algumas dezenas de microsegundos. Estas primeiras descargas são chamadas descargas piloto.
Quando a descarga piloto se aproxima da terra, outras descargas que se originam na terra sobem ao encontro daquela que vem da nuvem, formando assim a descarga principal, ou seja, uma canal ionizado entre a nuvem e a terra. Neste instante é formada uma corrente de grande intensidade, denominada corrente de retorno.
Os valores de correntes envolvidos na descarga piloto são de baixa intensidade e no entanto a corrente de retorno é da ordem de quilo amperes, atingindo às vezes centenas de quilo amperes.
Uma vez formada a primeira descarga é comum a formação de descargas subsequentes, que utilizam o mesmo canal ionizado formado na primeira descarga, o que caracteriza as
A maioria das descargas nas regiões tropicais são de polaridade negativa, cerca de 95 %, ou seja, a nuvem se carrega negativamente em relação à terra e a corrente de retorno é uma corrente de cargas negativas da nuvem para a terra. A duração da corrente de retorno é da ordem de algumas dezenas de microsegundos. A forma de onda típica de uma descarga atmosférica é mostrada na figura 1.
Figura 1-Forma de onda típica de uma corrente de descarga atmosférica.
A tabela 1 mostra os valores, usualmente utilizados em projetos, dos principais parâmetros de uma descarga atmosférica: Valor de pico e tempo de pico.
Ipico Tpico % das descargas (kA) (µs) abaixo dos valores
3.5 1.0 1.0 12.0 2.0 10.0 19.0 3.0 20.0 25.0 5.0 30.0 29.5 6.0 40.0 34 7.0 50.0 39 7.9 60.0 43.5 8.2 70.0 50.0 10.0 80.0 66.0 11.5 90.0 102.0 30.0 99.0 200.0 40.0 100.0
2-A torre e a descarga
Estruturas elevadas sobre o plano de terra tem "o poder de atrair descargas atmosféricas". Tal afirmação é baseada em observações e experimentos realizados com bastante critério.
Dizemos então que uma estrutura de determinada altura tem um "raio de atração". Isto significa que uma descarga que fosse cair em um ponto dentro do volume de proteção definido pelo raio de atração será atraida pela estrutura.
Várias teorias foram propostas para o cálculo do raio de atração e do volume protegido. Usaremos neste estudo a teoria proposta por Erickson, que foi baseada em uma série de resultados experimentais obtidos em um projeto realizado na África do Sul.
Tal teoria estabelece: Ra ≈ 4,0.h
Onde Ra é o raio de atração e h é a altura da Torre.
Todos os raios que cairiam na área "S" (fig.2) serão atraídos pela torre. Se utilizarmos os dados medidos pela CEMIG sobre o número de descargas para a terra por km2 por ano para o estado de Minas Gerais teremos:
Ng ≈ 0,1.T
Ng - densidade de descargas para terra (descargas por quilómetro quadrado por ano) Td - Nível ceraúnico (Número de dias de trovoada por ano)
Conforme dados da CEMIG:
Td max = 120 dias de trovoada por ano Ng = 12 descargas por km2 por ano Td Médio = 70 dias de trovoada por ano Ng = 7 descargas por km2 por ano
Para uma torre de 10 m de altura teremos:
0,035 descargas por ano (valor médio)
Para uma torre de 20 m de altura teremos: 0.140 descargas por ano (valor médio)
É importante observar que um raio que caia nas proximidades da torre também poderá provocar efeitos perigosos. Descargas que caiam até vários quilometros da torre ou dos cabos que chegam até a torre são suficientes para induzir tensões perigosas nos cabos e nos equipamentos. Estas tensões induzidas apesar de terem valores menores que as tensões provocadas por descargas que caem diretamante na torre ou nos cabos são bastante importantes devido à sua elevada frequência de ocorrência.
2.1- Tensões induzidas por descargas laterais
Os valores das tensões induzidas por descargas que caem perto do sistema dependem basicamente do comprimento dos cabos, da distância da descarga aos cabos, do valor da corrente de descarga e dos valores das resistências de aterramento.
Para um cabo de comprimento muito grande e sem aterramento teremos, aproximadamente:
Vind = 30.Io.h / y
h - altura do cabo
Io - valor de pico da corrente de descarga y - distância da descarga ao cabo
Figura 3
Para:
Io = 2 kA (menor valor de corrente de descarga) h = 7.0 m e y = 800 m V ind = 500 v Io = 34 k A (50 % das descargas) h = 7.0 m Y = 12 km Vind = 500 v Io = 100 kA (1% de probabilidade de ocorrência) h = 7.0 m y = 40 km Vind = 500 v
Figura 4
Se tivermos um ponto de aterramento na linha a tensão induzida será aproximadamente: V'ind = (30 .Io h / y) . ( 2R/(Z+2R)) = Vind .(2R/Z+2R)
Vind - Tensão induzida sem aterramento V'ind - Tensão induzida com aterramento R - Valor da resistência de aterramento Z - Valor da impedância de surto da linha
Para uma linha de 7.0m de altura e cabo com diâmetro de d = 5 mm teremos: Z = 60.ln (4h/d) ≈ 400 Ohms.
O fator k = 2R/Z+2R, representa o fator de atenuação propiciado pelo aterramento. Se : R = 0 k = 0
R = 10 k = 0.05 R = 50 k = 0.20 R = 100 k = 0.33 R = 400 k = 0.71
Vemos pois que o valor da tensão induzida é bastante influenciado pelo valor da resistência de aterramento.
Calcularemos agora o valor das correntes que circulam pelos cabos devido às tensões induzidas. Tomemos como exemplo uma torre de 20 m de altura de onde saem um cabo de áudio e um cabo de alimentação AC, ambos a 7.0 m de altura. Consideraremos os cabos ligados diretamente a torre (isto se deve ao fato de com a atuação dos protetores de áudio e AC todos os cabos são aterrados, via protetor ).
Figura 5
O pior caso de tensão induzida será o de uma descarga de 100 kA caindo a 50 m da torre, pois se a descarga fosse cair mais perto a mesma seria atraída pela torre e seria uma descarga direta. A tensão induzida nos cabos será:
O circuito equivalente será:
Figura 6
A corrente que passa pela malha de aterramento será: I r = V' ind / R
A corrente nos cabos será: Ic = Ir / 2 Para: R = 10 Ohms Vind = 20 kV Ir = 2 kA Ic = 1 kA R = 100 Ohms Vind = 139 kV Ir = 1.4 kA Ic = 0.7 kA
2.2 - Descargas diretas
Inicialmente analisaremos um sistema constituído de uma torre aterrada da qual saem um cabo de AC e um cabo de áudio sem aterramentos e infinitos. Para o caso de uma descarga na torre o circuito equivalente será o da figura 7.
Figura 7
Para torres de até 20.0 m de altura podemos desprezar a presenca da torre e o circuito se reduz ao circuito da figura 8.
Figura 8
Ir = [Z / (Z+2.R)].Io Ic = [R / (Z+2.R)].Io
para : R = 10 Ohms Ir = 0.95 Io Ic = 0.023 Io R = 50 Ohms Ir = 0.80 Io Ic = 0.10 Io R = 100 Ohms Ir = 0.67 Io Ic = 0.17 Io R = 400 Ohms Ir = 0.33 Io Ic = 0.33 Io
Vemos que quanto maior o valor da resistência de aterramento maior será o valor da corrente que será injetada nos cabos.
As tensões desenvolvidas na malha de aterramento e aplicada nos cabos serão:
V = R . Ir
Consideraremos agora a presença do telefone do usuário, ou seja, no final do cabo de áudio teremos uma malha de aterramento (aterramento do protetor do telefone). A figura 9 apresenta o circuito equivalente.
Figura 9
Neste caso a resolução do circuito é mais difícil pois teremos reflexões das ondas de corrente entre as malhas de aterramento (lembremos que a corrente de descarga atmosférica é uma corrente de frequência elevada e isto implica em que os cabos se comportaram como linhas de transmissão de alta frequência). Para a resolução do circuito foi utilizado o programa para cálculo de transitórios eletromagnéticos EZ-TRAN desenvolvido pela equipe da EEUFMG. Neste circuito o comprimento do cabo de áudio e o valor da resistência de aterramento do protetor do telefone irão influenciar bastante os resultados.A figura 10 apresenta o circuito e a forma de onda utlizada e a tabela 2 apresenta os resultados.
Figura 10 Caso R1(Ω) R2(Ω) Ic(amperes) L(m) V2(volts) L(m) 100 1000 100 1000 1 10 15 0.29 0.11 4.5 1.7 2 20 15 0.45 0.20 6.8 3.0 3 50 15 0.65 0.36 9.8 5.5 4 100 15 0.77 0.50 11.6 7.6 5 300 15 0.88 0.70 13.2 10.0 6 10 50 0.14 0.08 7.1 4.0 7 20 50 0.25 0.14 12.2 7.1 8 50 50 0.45 0.30 21.7 14.0 9 100 50 0.58 0.41 29.1 21.0 10 300 50 0.76 0.60 37.9 31.0 11 50 50 0.71 0.38 7.1 3.8 Tabela 2
3- A malha de aterramento
3.1- O valor da resistência
O principal parâmetro que caracteriza uma malha de aterramento é o seu valor ôhmico. Este valor é medido pelo "megger" que utiliza uma frequência perto de 100 Hz (geralmente 108 Hz). A utilização desta frequencia se deve ao fato de que ela é suficientemente afastada de 60 Hz para se evitar interferências das correntes do sistema de energia elétrica no circuito de medição. Não se utiliza corrente contínua devido ao fato de como a terra se comporta como um eletrólito a utilização de corrente contínua implicaria numa polarização da terra o que levaria a erros de medição. Como a frequência utilizada pelo "megger" é baixa o valor medido é praticamente igual ao valor da resistência em corrente contínua da malha (em 100 Hz o valor da resistência da malha predomina sobre os valores de sua indutância e de sua capacitância).
As correntes de descarga atmosférica tem a forma impulsiva e a forma de onda característica é mostrada na figura 1.
Se esta onda for decomposta através da técnica de Fourier veremos que a frequência dominante é da ordem de 5 Khz, ou seja, a medição feita em 100 Hz pelo "megger" é boa para analisar o comportamento da malha para correntes de 60 Hz mas é muito ruim para analizar a malha para correntes de descarga atmosférica. O ideal seria medirmos a impedância da malha em 5 Khz e não a sua resistência.
Sendo a corrente de descarga atmosférica uma corrente de "alta frequência" a malha de aterramento se comporta como uma impedância, ou seja, além da resistência da malha temos de considerar as componentes indutivas e capacitivas da malha. Um modelo mais completo para representar a malha seria o da figura 11.
Figura 11
Para exemplificar, analisaremos uma malha de aterramento constituída de cabos enterrados no solo a 0.5 m de profundidade, na posição horizontal conforme mostrado na figura 12. Estudaremos a variação dos valores da resistência (medida com o "megger") e a variação da impedância (medida com corrente de forma igual à mostrada na figura 1).
Vemos que sempre que aumentamos o comprimento do cabo enterrado o valor da resistência diminui o que não acontece com a impedância.
Outro fator importante é que devido aos valores muito elevados das correntes de descarga atmosférica ocorre no solo um fenômeno de ionização. A corrente de descarga circulando nos cabos e hastes da malha cria no solo um campo elétrico muito elevado o que provoca uma série de arcos elétricos dos cabos e hastes para solo, tornando de certa maneira o solo em torno dos cabos da malha um bom condutor. É como se o diâmetro dos cabos e hastes aumentasse, o que provoca uma boa redução no valor da impedância da malha. Várias malhas foram ensaiadas no LEAT-EEUFMG e o figura 13 abaixo mostra a variação do valor da impedância da malha com valor de corrente aplicado.
Z - Impedância da malha R - Resistência da malha
Outro dado importante é que o valor da resistência medida com o "megger" é função direta do valor de umidade contida no solo. Isto significa que a resistência da malha varia ao longo do ano, em função da quantidade de chuva. Em um conjunto de malhas de aterramento construídas no campo de teste da EEUFMG, foram feitas medições ao longo de um ano e meio e os valores de resistividade do solo e da resistência da malha variaram da forma mostrada na figura 14.
Figura 14
A conclusão de tudo isto é que o valor medido com o "megger" não é uma garantia de que a malha de aterramento apresentará um bom desempenho frente a descargas atmosféricas.
3.2 - O desenho da malha - Equipotenciais
Uma das funções da malha de aterramento é drenar o maior valor de corrente de descarga para a terra, minimizando os valores de corrente injetados nos cabos e consequentemente as correntes que irão passar nos dispositivos protetores. Pelos valores de corrente calculados no item 2.2 vemos que quanto menor o valor da resistência da malha melhor será o seu desempenho.
Outra função bastante importante da malha é garantir segurança para o equipamento instalado sobre a mesma e garantir segurança ao pessoal que transita sobre a malha.
Pelos valores de tensão calculados no item 2.2 vemos que mesmo para valores baixos de resistência os valores de tensão desenvolvidos na malha e nos cabos são muito elevados.
Por exemplo, tomemos uma malha de 10 Ohms de resistência na qual cai uma descarga com uma corrente de 100 kA. Teremos uma tensão de 1.000.000 V desenvolvida na malha e aplicada nos cabos. Esta tensão aparece da malha para um ponto muito distante dela.
Podemos traçar curvas mostrado como esta tensão é aplicada no solo. Usaremos valores calculados para corrente contínua, porque isto facilitará os cálculos,mas as conclusões são perfeitamente estendidas para correntes de descarga atmosférica.
A figura 15 ilustra os conceitos de potencial de toque (Vt) e potencial de passo (Vp). Potencial de passo é a tensão que irá ser aplicada entre os pés de uma pessoa quando circula corrente pela malha e potencial de toque é a tensão que irá ser aplicada entre a mão da pessoa que toca a torre e os seus pés.
Figura 15
Como nos caso de descarga atmosférica os valores de corrente são muito elevados, mesmo se a malha de aterramento tem um baixo valor de resistência, as tensões de passo e toque sempre serão muito elevadas.
Se a malha fosse constituida de uma placa metálica não teríamos tensões de passo perigosas desenvolvidas na malha.
Neste caso a malha seria uma equipotencial perfeita: todos os pontos da malha tem o mesmo potencial e se circular uma corrente pela malha nenhuma diferença de potencial será aplicada entre os pés de uma pessoa sobre a malha.
Mesmo a malha sendo uma equipotencial quase perfeita poderemos ter alguns problemas de potencial de toque no caso de descargas atmosféricas. Tomemos o seguinte exemplo:
Figura 16
Se a corrente que circula pela torre fosse uma corrente contínua, a tensão aplicada na pessoa seria desprezivel, o valor desta tensão seria igual a:
onde Rt e o valor da resistência ôhmica da torre entre o ponto onde a pessoa toca a torre e o solo. Como este valor de resistência é muito baixo e a tensão V será desprezível. No caso de um corrente de descarga atmosférica como a corrente é de alta frequência a tensão aplicada na pessoa será:
V = Z.I
onde Z é o valor da impedância da torre.
Na prática esta impedância será apenas a indutância da torre, pois a resistência e a capacitância da torre podem ser desprezadas. Considerando apenas a indutância a tensão será:
V = L dI/dt
onde L é a indutância da torre e dI/dt é a taxa de variação da corrente. Conforme medições realizadas com descargas reais esta taxa de variação esta compreendida entre:
2.0 kA/µs e 100 kA/µs.
O valor da indutância depende basicamente do diâmetro da torre, um valor típico seria: 1.0 µH/m.
Tomando-se uma pessoa tocando a torre a 1.0 m de altura as tensões serão:
V = 2.0 kV ( dI/dt = 2.0 kA/µs) V = 100 kV ( dI/dt = 100 kA/µs)
Mesmo se reduzirmos bastante o valor da indutância da torre ainda teremos tensões elevadas.
Vemos portanto que mesmo com uma malha de aterramento perfeita poderemos ter tensões perigosas desenvolvidas na torre.
O fato de utilizarmos uma placa de cobre como malha praticamente elimina o problema das tensões de passo, garantido segurança para pessoas sobre a malha e afastadas da torre.
A utilização de uma placa como malha de aterramento é uma solução economicamente inviável. A solução usualmente adotada é a utilização de uma malha compondo uma rede. Quanto menor for o afastamento entre os condutores da rede, mais esta malha se aproxima de uma placa.
Outra solução adotada para minimizar os efeitos das tensões de passo e revestir o solo por cima da malha com materiais tais como o concreto e a brita. Este material de cobertura não diminui os valores das tensões de passo mas diminui o valor das correntes que circulariam pela pessoa.
3.3 - Tratamento químico
A utilização de tratamento químico do solo com o objetivo de reduzir o valor da resistência da malha de aterramento é um alternativa polêmica. Algumas normas rejeitam tal solução e algumas normas permitem o tratamento do solo com materiais tais como o concreto e a bentonita (espécie de argila).
3.4 - O material da malha
A escolha do tipo de material utilizado depende basicamente de critérios químicos e mecânicos. Do ponto de vista elétrico não existe nenhuma diferença na utilização de cobre, aço ou qualquer outro metal, uma vez que que o valor da resistência da malha é função direta do valor da resistividade do solo. O cobre e o aço tem um valor de resistividade tal que quando comparados com o valor da resistividade do solo (vários ohms.metro chegando a milhares de ohms. metro) são totalmente despreziveis.
Do ponto de vista mecânico é interessante que os cabos sejam suficientemente grossos para suportar eventuais pancadas de enxadas ou outras ferramentas.
Do ponto de vista químico o fator importante é a corrosão . A utilização de cobre ou de cabos e hastes de aço revestidos de cobre ou de zinco (galvanizados) tem sido uma solução bastante satisfatória. É importante ressaltar a necessidade de utilização de apenas um tipo de material na malha, pois a utilização de materiais diferentes tais como o cobre e o aço galvanizado provocam no ponto de união dos materiais um processo de corrosão bastante intenso.
Considerando-se todos estes critérios as normas em geral recomendam a utilização de cabos com bitola mínima de 50 mm2.
4- O pára-raios
As torres em geral tem um pára-raios instalado em sua extremidade superior. A função deste pára-raios é proteger a antena e o sistema de sinalização (balizamento) contra a queda de raios diretos. Se a torre for metálica e não tiver sinalização, poderemos eliminar o pára-raios desde que a antena seja instalada abaixo da ponta da torre (figura 17).
Figura 17
Se a torre for de madeira é necessário sempre a instalação do pára-raios. O pára-raios protege a antena porque o mesmo está mais alto que a mesma. O tipo de ponta do pára-raios não influencia em nada, sendo que a utilização de pára-pára-raios de três pontas somente propicia alguma vantagem estética (alguns acham mais bonito o pára-raios de mais de uma ponta!).
5- O cabo de descida
É usual a interligação do pára-raios com a malha de aterramento através de um cabo de cobre.
Em torres de madeira isto é uma prática obrigatória. Em torres metálicas muitas vezes tal cabo é desnecessário. Nas torres metálicas a função do cabo de interligação e proteger o cabo de HF, que interliga a antena ao rádio e os cabos do sistema de balizamento. Sendo a torre metálica e de diâmetro muito maior que o diâmetro do cabo de interligação a maior parte da corrente de descarga irá descer pela torre. Sendo a torre muito alta a queda de tensão na mesma provocada pela circulação de corrente poderá atingir valores elevados
Figura 18
A tensão
V = R.I
será aplicada entre o cabo de HF e a extremidade superior da torre. Se esta tensão for superior ao valor suportável pelo isolamento do cabo de HF, teremos a formação de um arco elétrico entre a torre e o cabo, provocando um dano permanente no cabo.A colocação de um cabo de cobre em paralelo com a torre garante menores valores de tensão porque a resistência do cabo de cobre é menor que a resistência da torre de aço.
Muitas vezes este cabo de interligação é isolado da torre por pequenos isoladores de porcelana ou resina. Do ponto de vista elétrico tais isoladores são ineficazes, pois não suportam as tensões impostas pela descarga atmosférica e além disto não teríamos nenhuma
atrito do cabo com a torre e do ponto de vista de corrosão eles evitam o contato entre metais diferentes ( cabo de cobre e torre de aço galvanizado).
6- A proteção do equipamento
Do ponto de vista de segurança pessoal vimos que a solução mais adequada é adotar uma malha equalizada e mesmo assim alguns riscos ainda existem.
A proteção dos equipamentos depende basicamente de três fatores: instalação de protetores nos cabos, blindagem eletromagnética dos equipamentos e arranjo da fiação.
6.1- A blindagem eletromagnética
Vimos no item 2.1 que mesmo descargas que caem longe do sistema induzem tensões elevadas. O rádio ou equipamento está sujeito aos campos eletromagnéticos criados pelas descargas que caem na torre e também descargas que caem nas proximidades. O princípio básico da lei de Faraday estabelece que os campos eletromagnéticos não penetram em um volume metálico fechado, desde que a espessura da parede seja adequada. Baseado neste princípio podemos afirmar que se os equipamentos fossem colocados em caixas metálicas eles seriam imunes a estes campos criados pela descarga ( lembremos do caso dos aviões que são regularmente atingidos por raios, não apresentando problemas e não tendo malha de aterramento).
A utilização de armários para a instalação dos equipomentos é a solução ideal. No caso de equipamentos de pequeno porte isto é viável. Para equipamentos maiores a prática usual é instala-los em prédios de alvenaria. Tais construções precisam ser dotadas de algum tipo de blindagem. Mesmo considerando-se que os equipamentos individuais são encapsulados
campos criados pelas descargas provocando o aparecimento de tensões induzidas nos equipamentos.
6.2- Os protetores
Se os equipamentos pudessem ser instalados em um armário metálico fechado não precisariamos pensar em mais nenhum critério de proteção. Entretanto tais equipamentos se comunicam com o exterior do armário através de cabos de alimentação e cabos de comunicação. Tais cabos serão submetidos a tensões e correntes impostas pelas descargas atmosféricas e podem transmitir estas tensões e correntes diretamente aos equipamentos. É importante pois evitar que as tensões aplicadas aos cabos sejam transmitidas aos equipamentos e isto é conseguido através da instalação de dispositivos protetores nos pontos onde os cabos penetram no armário onde está instalado o equipamento. Excetuando-se o cabo de aterramento todos os demais cabos que chegam ao equipamento devem Excetuando-ser protegidos.
A especificação do protetor é feita segundo dois critérios básicos: a máxima tensão que o protetor deixa chegar ao equipamento e o valor de corrente que o protetor deve suportar.
A tensão na qual o protetor deve atuar é função da máxima tensão que o equipamento suporta.
O valor de corrente que o protetor deve suportar é função principalmente do valor da resistência de aterramento da torre. Vimos até agora que para a proteção do equipamento o valor da resistência de aterramento só interessa na especificação da corrente suportavel pelos protetores. Vimos no item 2.2, que quanto maior o valor da resistência de aterramento, maiores serão os valores de corrente que circulam pelos cabos e consequentemente pelos protetores.
Figura 19
Na ocorrência de uma descarga na torre os protetores irão atuar e a corrente irá se dividir entre a malha de aterramento e os cabos.
6.3- O arranjo da fiação
Sabemos pela Lei de Faraday que uma corrente variável no tempo induz tensão em uma espira aberta e corrente em uma espira fechada (figura 20).
Sabemos também que quanto maior for a variação da corrente no tempo e quanto maior a área da espira maiores serão os valores das correntes e tensões induzidas.
A taxa de variação da corrente de descarga atmosférica é um parâmetro sobre o qual não temos controle e atinge valores bem elevados tais como 200 kA/µs. Se não podemos controlar a taxa de variação da corrente podemos controlar a área das espiras que existem nos equipamentos e no circuito formado pela fiação .
Tomemos o exemplo da figura 21:
Figura 21
Vemos que no caso 2 a área "S" é muito menor que no caso 1, o que implica que a tensão que aparecerá entre os cabos será bem menor no caso 2 que no caso 1.
Figura 22
No caso 2 a tensão entre os cabos de AC e áudio será bem menor que no caso 1. Como regra geral temos :
- Evitar "loops" entre e nos cabos;
-Todos (todos mesmo) os cabos devem entrar no armário juntos em um mesmo orifício.
7- A proteção do cabo de áudio
Vimos no item 2.2 que a ocorrência de uma descarga na torre provoca a circulação de correntes elevadas pelo cabo de áudio e o valor desta corrente dependente diretamente do valor da resistência de aterramento da torre. Estas correntes circulando no cabo provocam o aparecimento de tensões elevadas do cabo para a terra o que pode provocar disrupções entre o cabo e os postes de sustentação (figura 23).
Figura 23
Se o comprimento do cabo for grande e a resistência da malha também for elevada é necessário a instalação de proteção ao longo do cabo. Esta proteção pode ser feita através da utilização de cabos blindados, cabos com cabo mensageiro, cabos em dutos metálicos ou protetores instalados nos postes. A pesquisa que está sendo conduzida pelo pessoal da Universidade Federal de Juiz de Fora está levantando uma estatística de danos em instalações com torres em alto de morro. Em função dos dados coletados, assim que os mesmos estiverem disponíveis, será feita uma recomendação mais específica sobre proteção do cabo de áudio.
8- Proposta de critérios para projeto e instalação de malhas de aterramento de torres visando proteção contra descargas atmosféricas.
Os comentários até aqui apresentados são um resumo dos estudos realizados pela equipe EEUFMG desde 1987. Baseado nestes conceitos é sugerido um critério para aterramento de torres, que acreditamos estar em concordância com os critérios adotados em paises mais
8.1- Estatística de valores de resistividade do solo em Minas Gerais
Foram analisados dados obtidos em uma série de localidades de Minas Gerais onde foram feitas medições do valor da resistividade do solo. Foram selecionados 163 localidades, onde a medição foi feita com bastante critério. Foi feita uma análise estatística dos valores medidos e a tabela 3 apresenta os resultados obtidos.
ρ(Ω.m) Número de localidades % % Acumulado 0-1000 20 12.3 12.3 1000-5000 89 54.6 66.9 5000-10000 31 19.0 85.9 > 10000 23 14.1 100.0 Total 163 100.0 Tabela 3
8.2-O valor da resistência da malha de aterramento
Quanto menor for o valor da resistência da malha da torre melhor será o desempenho da proteção elétrica e mais garantida estará a segurança pessoal.
As normas internacionais propõem valores que variam de : 2,5 Ω (norma Holandesa) a
50 Ω (norma Sul-africana).
Propomos neste estudo um valor máximo de 50 ΩΩ para o valor da resistência de aterramento da malha da torre.
Nos casos onde este valor não for alcançado, sugerimos que seja feito um estudo particular. Nestes casos pode-se adotar o tratamento químico ou então se adotar protetores de maior capacidade de corrente no cabo AC e no cabo de áudio, bem como instalar protetores ao longo do cabo de áudio e se adotar uma malha de aterramento equalizada no protetor do telefone do assinante.
8.3.-Malha de aterramento proposta
São propostas três configurações básicas de malhas de aterramento. 8.3.1-Configuração 1
A configuração da figura 24 garante uma boa equalização de potencial. Em cerca de 15% dos casos esta malha terá valor de resistência inferior a 50 Ω (solos com valor de
resitividade inferior a 1500 Ω.m). 8.3.2-Configuração 2
Figura 25
A adoção de cabos radiais irá contribuir para a redução do valor da resistência da malha. Sugerimos um valor máximo de 20 m para o comprimento dos cabos radiais. A adoção de cabos com comprimentos maiores só se justifica em instalações ou situações específicas.
A configuração da figura 26 deve fornecer valores de resistência de aterramento inferiores a 50 Ω em cerca de 60 % dos casos (solos com valor de resitividade inferior a 3000 Ω.m).
8.3.3-Configuração 3
Nos casos onde a torre será instalada em locais com circulação permanente de pessoas, recomenda-se uma malha de aterramento com um maior grau de equalização, como a mostrada na figura 27. Recomenda-se também a cobertura da malha com concreto ou então uma camada de britas.
9-O aterramento do protetor do telefone
Como as instalações que utilizam torres estão sujeitas a uma grande incidência de descargas atmosféricas é recomendável que o aterramento do protetor do telefone do assinante seja também feito com bastante critério.
A adoção de uma malha de aterramento equalizada seria uma excelente alternativa. O envolvimento da casa do assinante por um anel , enterrado a 0,5 m de profundidade, garante uma boa equalização de potencial (figura 27).
