IV SEMINÁRIO NACIONAL ÜE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GRUPO VIII SUBESTAÇÕES ATERRAMENTO DE SUBESTAÇÕES COM PROTEÇÃO CATÕOICA

RJ/GSE/01

IV SEMINÁRIO NACIONAL ÜE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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OIV DCCUMENTAÇiO

DioMnrncA

n.ENTITAL GRUPO VIII SUBESTAÇÕES

ATERRAMENTO DE SUBESTAÇÕES COM PROTEÇÃO CATÕOICA

Autores: €ng9 JOSE INÁCIO CAMINO BOAZ

EngÇ LUIZ TIARAJU DOS REIS LOUREIRO

Empresa: COMPANHIA ESTADUAL DE ENERGIA ELÉTRICA DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL

Rio de Janeiro - RJ - B r a s i l

\

- INTRODUÇÃO

As malhas de terra de subestações têm sido cons^ truTdas com condutores de cobre. Como o preço do cobre apre senta-se elevado, em deter minadas condições a execij çao de uma malha de terra pode se tornar bastante onero sa. Procurando-se minimizar o custo de subestações, sem diminuir a c o n f i a b i l i d a d e das mesmas, resolveu-se estjj dar a v i a b i l i d a d e da utilização de condutores de aço em malhas de t e r r a .

- CARACTERÍSTICAS DO COBRE E DO AÇO

0 cobre apresenta condutividade elevada e grande resistência Í corrosão sendo, provavelmente, estes fato^ res que tornaram consagrada sua utilização em malhas do t e r r a . Contudo, como sua resistência mecânica nao Í tão elevada como s e r i a desejável, muitas vezes os condutores devem ser superdimensionados sob o ponto de v i s t a da ca^ pacidade de condução de corrente, para apresentar a rigi_ dez mecânica necessária. Alem d i s t o , o cobre tende a ace l e r a r os processos corrosivos em estruturas de aço ente£ radas em suas proximidades, t a i s como fundações de equj_ pamentos, pórticos, instalações contra incêndios, e t c . 0 aço apresenta resistência mecânica elevada.Sua condutividade Í bastante i n f e r i o r a do cobre e mesmo o aço galvanizado sofre intensamente a ação de processos corrosivos. Entretanto, não provoca danos em metais en terrados na mesma ãrea.

- CORROSÃO DO AÇO ENTERRADO

0 processo corrosivo c a r a c t e r i z a - s e por uma rea

çao entre o metal e o e l e t r o l i t o , que neste caso ê o sc> l o , originando pilhas eletroquTmicas. Em condições nor mai s, ocorrem dois t i pos de p i l h a s : p i l h a galvãnica e pi^ lha de concentração d i f e r e n c i a l .

A p i l h a galvãnica, para o aço enterrado no s o l o , manifesta-se devido as he terogene idades da estrutura me t a l o g r i f i c a e ãs tensões internas que o material adquire na fabricação e na soldagem. A p i l h a é formada porque aj_ gumas áreas assumem caráter catódico, enquanto outras as^ sumem caráter anõdico.

A p i l h a de concentração d i f e r e n c i a l manifesta-se pela variação das características do e l e t r o l i t o que en

volve o me t a l > provocando, também, o surgimento de ãreas catõdicas e áreas anodicas. na superfície metálica.

Nas áreas anodicas, a corrente abandona o metal, produzindo em sua superfície uma reação, da qual r e s u l t a o composto' do metal como produto da corrosão.

Nas áreas catõdicas, a corrente penetra no metal reagindo com o e l e t r o l i t o , ocorrendo então o fenômeno de nominado polarização catodica. Portanto, nestas áreas, a atividade das pilhas f i c a i n i b i d a . A presença de de te rmi_ nadas substâncias, como por exemplo o o x i g i n i o , pode dj_ f i c u l t a r a polarização destas ãreas.

- PROTEÇÃO DO AÇO

Como o aço enterrado no s o l o , sem outras pròvidiji c i a s , sofre corrosão, não e possível utilizã-lo desta forma em malhas de terra de subestações, pois as mesmas deixariam de oferecer segurança em um período relativa_ mente pequeno.

Para que se possa empregar o aço, faz-se mister que o mesmo seja adequadamente protegido contra a corro são. 0 processo denomi.nado proteção catodica i capaz de proteger eficientemente o aço enterrado.

Este processo consiste em p o l a r i z a r todos os pon tos da malha de t e r r a , ou s e j a , fazer com que todos os

pontos da mesma adqui ram caráter catódico. 0 metal i po_

l a r i z a d o a t r a v i s da injeção no mesmo, de uma corrente de proteção, cuja intensidade seja s u f i c i e n t e para anular o e f e i t o das correntes de corrosão das oilhas atuantes na

superfície do m a t e r i a l . Esta corrente de proteção deve ser fornecida por uma fonte externa, que pode ser um re t i f i c a d o r ou ãnodos galvanicos.

Quando o metal e s t i v e r totalmente p o l a r i z a d o , i£

to i , todos os seus pontos tiverem adquirido caráter ca

tõdico, a corrosão passara a ocorrer no material utiliz£ do como ãnodo.

A condição para que o aço esteja protegido ê que seu potencial em relação a meia cédula de Cu/CuS04 seja menor ou igual a -0,85 V.

- SISTEMAS DE PROTEÇÃO CATODICA

Pode-se c l a s s i f i c a r em dois tipos os sistemas de proteção catodica: com ãnodos de sacrifício e por correji te impressa.

0 sistema de proteção catodica com ãnodos de sa^ crifício Í recomendado quando o objeto a proteger requer uma corrente i n f e r i o r a 5 ampires e a r e s i s t i v i d a d e do solo f o r i n f e r i o r a 60 íím.

A manutenção que este sistema necessita ê ii,inj_

ma, mas acima desses l i m i t e s , sua aplicação pode ser aji t i -econômi ca.

Os ãnodos de sacrifício para utilização em solos em geral são construídos de zinco ou de magnesio com l i _ gas apropriadas. Para um melhor desempenho, costumam ser enterrados envoltos nunía mistura despol ari zante, que re duz a resistência de aterramento e proporciona um desgas^ te mais uniforme do bastão de sacrifício.

0 sistema de proteção catodica por corrente im pressa é recomendado, de modo g e r a l , quando o objeto a proteger requer uma corrente de proteção superior a 5 am pires e a re s i s t i v i d a d e do solo f o r superior a 60íím. ís_

te sistema necessita de manutenção periódica e pode i n t e r f e r i r com estruturas metalicas estranhas.

r

Os ãnodos u t i l i z a d o s neste sistema são constituT dos de g r a f i t e ou de l i g a s metálicas principalmente f e r ro-si1Tcio-cromo , e chumbo-antimõnio-prata. A composição dos bastões propicia um desgaste relativamente pequeno, ra^ zão porque são denominados ãnodos i n e r t e s .

Os dois sistemas de proteção catodica são eficj_ entes, sendo selecionado o mais adequado para uma a p l i c a ção específica por considerações econômicas e pelas parti_ cu1ari dades do l o c a l .

6. - PROJETO DE UMA MALHA DE TERRA DE AÇO

; 6.1 - Descri ção da subes tação

Uma vez constatada a v i a b i l i d a d e da utilização de aço em ma lhas de t e r r a , f o i escolhida uma subestação no município de Marau-RS, para a construção da prime i r a malha de terra com este m a t e r i a l , em caráter experimental na CEEE.

A SE Marau e uma subestação abaixadora de 46/23 kV - 5,0 MVA. Recebe energia da Usina Capigui, atravis de uma linha de aproximadamente 10 quilômetros de extensão.A distribuição u t i l i z a quatro saídas de 23 kV.

A planta da subestação é mostrada na ilustração 6.1-1.

ó.2 - Me todo de cãlculo

0 r o t e i r o para o cãlculo da malha de terra f o i o proposto pela publicação IEEE 80. A memória de calculo eji contra-se no anexo.

A r e s i s t i v i d a d e adotada f o i a midia das medidas realizadas em três ocasiões d i s t i n t a s .

As conexões da malha foram executadas com solda exotirmica ã base de cobre. Para prevenir ou, pelo menos, minimizar problemas de despolarização do aço nas proximi dades das conexões, com conseqüente corrosão galvãnica,as mesmas foram pintadas com zarcão.

O cl i mo n s i onamen to do condutor, de aço f o i realiza^ do de maneira a assegurar que a resistência elétrica do mesmo seja igual a re sistência do condutor de cobre equji_ valente.

O comprimento do condutor obtido a p a r t i r da dis^ posição da subestação é bastante superior ao comprimento mTnimo necessário para o controle de p o t e n c i a i s . Esta úis_

pos i ção f o i íiian t i da pa ra e v i t a r malhas com forma tos i rre gulares.

A utilização de b r i t a de granito ou basalto è costumeira na CEEE, tanto por oferecer maior segurança pessoal como por f a c i l i t a r a conservação da subestação.

O sistema de proteção catodica adotado f o i o de ãnodos de sacrifício, com bastões de zinco com enchimento despolarizante de 4,5 kG(10 l i b r a s ) . A ligação dos ãnodos f o i f e i t a com condutores idênticos aos da malha. Foram construídos quatro poços de inspeção em pontos estratégi-cos da mal ha.

O valor da corrente de proteção para o aço sem revestimento, indicado na l i t e r a t u r a , varia entre 30 a 60 mA por metro quadrado de ãrea a proteger. Para sua deter minação exata f o i realizado um teste de injeção de corren te em um pedaço de cabo de aço enterrado no terreno da su^ bestação.

0 esquema do teste esta mostrado na ilustração 6.2-1. Com o resultado*do teste v e r i f i c o u - s e que o condu^ tor apresentou um potencial de-0,9 v o l t s em relação ao e

letrodo de referência Cu/CuS04 quando f o i injetada uma corrente com densidade de aproximadamente 4 mA por metro quadrado de superfície do metal.

7. - COMPARAÇÃO DE CUSTOS

Para a avaliação da diferença entre uma malha de terra de cobre e outra de aço, para subestações cujas de mais condições sejam idênticas, a forma encontrada f o i a comparação de custos de m a t e r i a i s .

No caso específico da SE Marau, o quadro 7-1 de

monstra que a malha de terra de aço e 69% mais econômica

q u e a m a l h a d e c o b r e .

Pa ra uma comparação mais g e r a l , foram elaborados dois gráficos, apresentados nas ilustrações 7-1 e 7-2.

No g r a f i c o da ilustração 7-1 esta representada a variação dos custos de ma lhas de cobre e malhas de aço, em função da corrente de c u r t o - c i r c u i t o . Na elaboração deste g r a f i c o foram admitidas as seguintes condições:

a. R e s i s t i v i d a d e do solo: 100 íim b. R e s i s t i v i d a d e s u p e r f i c i a l : 3000 fim c. Tempo de eliminação das f a l t a s : 0,5 s d. Potencial do cabo de aço em

relação ao eletrodo Cu/CuS04: -0,90 v e. Densidade da corrente de prote

ção para o aço: 10mA/m2 f. Posiçãodacerca: I m e t r o n o i r i

t e r i o r da malha

As diversas malhas foram concebidas com forma quadrada, compostas por quadros com 4 metros de lado.Quan do para um valor de corrente, uma determinada ma lha não s a t i s f e z ãs exigências de segurança, passou-se a v e r i f j _ car se com a malha de dimensões imediatamente superiores t a i s exigências seriam s a t i s f e i t a s .

No g r a f i c o da ilustração 7-2, esta representada a,variação dos custos de ma lhas de cobre e malhas de aço em função da re s i s t i v i d a d e do solo. As condi ções admiti_ das para a elaboração deste grãfico foram:

a. Corrente de c u r t o - c i r c u i t o : 5000 A b. R e s i s t i v i d a d e s u p e r f i c i a l : 3000 nm c. Tempo de eliminação das f a l t a s : 0,5 s d. Potencial do cabo de aço em

relação ao eletrodo Cu/CuS04: -0,90 v e. Densidade da corrente de

f. Posição da cerca: 1 metro no i n t e r i o r da malha.

Os quadros que formam as malhas do g r a f i c o da i -lustração 7-2 apresentam lados com extensão de 5 metros.-Quando para um valor de r e s i s t i v i d a d e , uma determinada ma_

lha não s a t i s f e z ãs exigências de segurança, passou-se a v e r i f i c a r se com a malha de dimensões imediatamente supe r i o r e s ^ s t a s exigências seriam s a t i s f e i t a s .

A inspeção desses gráficos torna evidente que os custos das malhas de aço protegidas Com ãnodos galvanicos, não são competitivos com os custos das malhas de cobre a cima de certos valores de corrente de c u r t o - c i r c u i t o e de r e s i s t i v i d a d e .

8. - CONCLUSÕES

0 custo dos materiais de uma malha de terra de e

ço protegido com ãnodos galvãnicos sera competitivo com o custo dos materiais de uma malha de cobre enquanto o num£ ro de bastões necessários para proteger a primeira. não for excessivamente superior ao número de bastões da malha de cobre correspondente. Isto ocorre em subestações cujo solo apresente valores de r e s i s t i v i d a d e médios ou altos ou cuja corrente de c u r t o - c i r c u i t o seja de grande intensi^ dade. A necessidade de um grande numero de bastões decor re da reduzida corrente" 1 i berada por cada ãnodo, no pri^

meiro caso, e da corrente de proteção requerida pela ma

lha ser relativamente elevada no segundo caso.

A utilização de proteção catodica por corrente impressa não f o i abordada na comparação de custos. E inte ressante r e a l i z a r esta comparação para que sejam determi_ nados os l i m i t e s de aplicação econômi ca de condutores de aço em malhas de t e r r a .

19. - ANEXO: MEMÕRIA DE CALCULO DA MALHA DE TERRA DA SE MARAU

9.1 - Dados Pre1 imi nares

9.1.1 - R e s i s t i v i d a d e : a média das medidas realizadas nos dias 09/12/76. 14/12/76 e 27/01/77 é 119,36 fim. 0 valor considerado nos cálculos f o i 120 fim.

9.1.2 - Corrente de c u r t o - c i r c u i t o : o valor atual esta em torno de 600 A; em virtude de um possível cresci_ mento da potência de c u r t o - c i r c u i t o do sistema, o valor adotado f o i 800 A.

9.1.3 - Tempo de eliminação' da f a l t a : a inspeção da curva do fusível especificado indicou aproximadamente 0,2 s. Por segurança f o i adotado 0,5 s.

9.1.4 - Potencial aço/solo medido com

eletrodo Cu/CuS04: -0,30 v. 9.1.5 - Corrente de proteção: no dia 27/01/77 f o i execut£ do um ensaio de injeção de corrente em um pedaço de cabo de aço galvanizado com 7/16" de diâmetro. V e r i f i c o u - s e que 0,27 mA proporcionam proteção a dequada para um objeto de aço com 0,07 m2 de area em contato com o solo. 0 potencial aço/solo resul_ tante, medido com o eletrodo Cu/CuS04, f o i de -0,90 v.

;.2 - Bi tol a do condutor

Admitindo 4 segundos para a eliminação da f a l t a , conexões soldadas e condutor de cobre, seriam necessárias 20 CM/A para e v i t a r a fusão da malha.

A b i t o l a do condutor s e r i a : Sc = 800.20 = 16000 CM

Para que a resistência do condutor de aço seja £ quivalente ã do condutor de cobre, deve-se t e r :

pc =pA

Sc SA Como Lc = LA, vem:

SA = -Ê^- Sc = 8(621 .16000.7,856.10"7 = 0,10836 i n 2

0 d i â m e t r o do c o n d u t o r de aço s e r a : dA = / 4 S A / T I ~

A d o t o u - s e o cabo de diâmetro 7 / 1 6 " , p o r s e r i m e d i a t a m e n t e s u p e r i o r .

9 . 3 - Di s pos i ção da mal ha

A d i s p o s i ç ã o da m a l h a e s t á r e p r e s e n t a d a na i 1 u s tração 6 . 1 - 1 . J. 9 . 4 - C o m p r i m e n t o do c o n d u t o r A p a r t i r da d i s p o s i ç ã o da m a l h a v e r i f i c a - s e que o c o m p r i m e n t o em p r i m e i r a a p r o x i m a ç ã o e 210 m. Em s e q ü ê n c i a , c a l c u l a - s e o c o m p r i m e n t o mTnimo de c o n d u t o r n e c e s s ã r i o p a r a c o n t r o l a r os p o t e n c i a i s . Lm = I • K i . Km.p . / t 1 65 + 0 , 2 5 p s 1 = 800 A n = 5 Ki = 0,65 + 0,172.n = 1,51 t = 0,5 s p = 120 Um ps = 3000 íím Km= 1_ l n n/(n-i) i2 + j _ l n ( j _ m_s_ ^ 2v 16.h.d TT 4 6 8 n-2 termos 1 = 16,3 m h = 0 ,5 m d = 0,01111 m Km= 0,64 Lm= 71,73 m

Como o comprimento obtido da disposição é maior que o comprimento mTnimo, esta disposição s e r i u t i l i z a d a nas demai s etapas.

:4 : '

•i'

10

9.5 - V e r i f i cação do aquecimento dos condu tores

Para e v i t a r a ebulição da agua contida no so1o,fi_ xa-se 1009C para elevação de temperatura dos condutores e v e r i f i c a - s e a densidade de corrente admissível.

i= Sy.O/p.f

Y= 1 ,75.IO6 J/m3C

0= lOOPC p= 120 íím t= 0,5 s

A densidade de corrente prevista e: i p , -5â0_ , 90 A/m2 8,85 V e r i f i c a - s e que a d e n s i d a d e p r e v i s t a c b a s t a n t e i n f e r i o r ã d e n s i d a d e de c o r r e n t e a d m i s s T v e l . 9.6 - Resistência da malha s a o A r e s i s t ê n c i a da m a l h a se r ã c a l c u l a d a p e l a e x p r e s R= 0,443 + /Ã" L p= 120 m A= 2 1 8 , 7 m2 L= 210 m R= 4 , 1 7 f l 9.7 - Tensões de passo 9.7.1. Tensão de passo na p e r i f e r i a I Epp = Ks.Ki.p L Ki = 1 ,51 p = 120 íím I = 210 m

Ks - J - (•

1

•

1

-

l

-

l

i

2h D + h 2D 40 ^ — n termos <- ^ '

J 11 h= 0,5 m D= l / ( u - l ) 1= 16,3 m n= 5 Ks= 0,47 Epp= 326,17 v

9.7.2. Tensão de passo tolerável

E p t = -1 6 5 +PS

/r

ps= 3000 íím t= 0,5 S 'Ept= 4476 v

Como a tensão de passo tolerãvel i maior que a ten são de passo na p e r i f e r i a , a malha oferecerã segurança qua£ to a esse f a t o r .

Tensão de toque

9.8.1. Tensão de toque a 1 metro da cerca E t = Ki.p. I l n (h2 7t2) 2n.L hdD^ Ki = 1 ,51 P = 1 20 íím 1 = 800 A . L = 210 m h = 0,5 m x = 1 m d = 0,01111 m D = l / ( n - l ) 1 = 1 6 ,3 m n = 5 Et= 619 v

9.8.2. Tensão de toque tolerável Ett= 1 6 5 + 0 , 2 5 p s

/t ps= 3000 fim t= 0,5

tf.

12

Como a tensão de toque tolerável é superior ã tensão de toque na cerca, a subestação tambim oferecera -segurança neste aspecto.

9.9 - Corrente de proteção da mal ha

A malha e constituída por 210 metros de cabo de aço galvanizado com diâmetro de 7/16" e 4 cantoneiras de aço galvanizado de 1" x 1" com 2,5 m de comprimento.

A ãrea da malha e:

SA= TF.L.d + S.p.s, = 8,60 m2

A corrente de proteção exigida serã: I = 0 , 2 7 .8,6= 33,17 mA

1 0,07

Considerando que as conexões serão de cobre, a fim de anular seu. e f e i t o corrosivo sobre o aço,a corrente de proteção deve ser superestimada. Serão aplicados 46 mA na ma 1 ha.

3.10- Corrente 1 i berada por cada bas tão de z i nco

A corrente liberada por cada bastão i calculada pela expressão:

50000 . F . Y

P

F = f a t o r dependente das características do bas^ tão, para bastões de 10 l i b r a s , F = 0,81

Y = f a t o r dependente do potencial aço/solo; para o potencial de -0,90 v, Y = 0,80

p = 1 2000 íicm I = 2,71 mA

J . l l - Número de bas tões

0 número de bastões i o quociente entre a correji te t o t a l e a corrente liberada por cada bastão.

Ng= - i l - = — — = 17 bastões

IB 2,71

13

AGRADECIMENTO

Os autores agradecem a colaboração do EngÇ Clau^ dio A. S. Ruschel .

BIBLIOGRAFIA

K THE INSTITUTE OF ELECTRICAL ANO ELÉTRON I CS ENGINEERS, New York» Gu i de f o r saf e ty yn AC Subs t a t i on Groundi ng , s t d 80, mar., 1961 reaffirnied 197K

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3. PROCEEDINGS OF THE TENTH ANNUAL UNDERGROUNO SHORT COURSE. (S.L.). R.E. Hanna Or., 1969 , p.125-6.

RJ/GSE/01

QUADRO 7-1

Comparação entre os custos de malha de t e r r a de cobre e de aço para a^ S_E Marau

C U S T O S ( 0 R T N )

MATERIAL _{MALHA DE COBRE MALHA DE AÇO}

CONDUTORES 123,98 • 1 2,6

CONEXÕES 29,93 23,75

BASTÕES 38,80 22,31

CANTONEIRAS - 0,73

R J / G S E / 0 1

mm

bateria ,v - ---omosiro ensaiado T**?? eletrodo C I J / C U S 0 4 V

bastão p/>njecâo de currenie

ILUSTRAÇÃO 6.2-1

•

Np M o d i t i c i ç i g N.O

C E . E . E . COMPANHIA ESTADUAL DE ENERGIA UÉR/CA

ESTADO D O RIO GRANDE DO SUL

E S C * L * 25 638

•

S . E . MARAU T e s t e de i n j e ç ã o de c o r r e n t e D e s e n h o

•

S . E . MARAU T e s t e de i n j e ç ã o de c o r r e n t e P ' o j e l o

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1

•

S . E . MARAU T e s t e de i n j e ç ã o de c o r r e n t e C o n f e r i d o

•

S . E . MARAU T e s t e de i n j e ç ã o de c o r r e n t e *

•

S . E . MARAU T e s t e de i n j e ç ã o de c o r r e n t e S . E . MARAU

•

T e s t e de i n j e ç ã o de c o r r e n t e - .

RJ/GSE/01

ILUSTRAÇÃO

7-C U S I O ( ORTN )

N." P a l a H • 4 i t < c • ( i • N .• D a l * M g ( j < r Í C B ( Í O

C0MPAKH1A ISTADUAl DE ENERGIA UtTRICA

ESTADO DO RO GRANDE DO SUI

25.842 107-2

S.E. MARAU

OCSCNHO

RJ/GSE/01

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COMPANHIA ESTADUAL DE ENERGIA ELtTRICA

ESTADO D O RIO GRANDE D O SUI

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S.E. MARAU

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COMPAMHIA ÍSÍADUAL DE ENERGIA ÍIÊÍEICA

ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL

S.E. MARAU

Disposição da malho de terra

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