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E-mailK L MN*O PQ R SP T UV P WXM P YXZ O Palavras-chave - Injeção de Corrente, Medições de
Potenciais, Potenciais de Passo e Toque.
Resumo - O trabalho apresenta uma sistemática e procedimentos para Medições dos Potenciais de Passo e Toque existentes nas instalações de uma Subestação abaixadora (SE Didática 11.9kV) e regiões circunvizinhas, na ocorrência de uma falta à terra, interna, ou em um dos alimentadores oriundos desta Subestação.
A ocorrência de um curto-circuito envolvendo a terra, é simulada através do Método da Injeção de Corrente, e a partir daí as Medições de Potenciais são efetuadas.
Os valores medidos são comparados com os valores de projeto (IEEE 80/76), com os valores obtidos pela metodologia IEEE 80/86, bem como, com os valores obtidos através de um programa computacional Terra (Cargas Imagem) e a partir da análise desta comparação são elaboradas as conclusões e recomendações pertinentes.
As tabelas 1, 2 e 3 apresentam o máximo potencial de toque, passo e resitência à terra obtidos pelos diversos métodos.
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Potenciais de Passo e Toque que ocorrem quando uma corrente de curto-circuito flui através do Sistema de Aterramento de Linhas de Transmissão e Subestações podem ser a causa de perigosos choques elétricos.
Durante muitos anos, a Norma IEEE 80 – versão 1961, parcialmente revisada em 1976 [1] e em 1986 [2] foi praticamente o único documento utilizado pelas Concessionárias e Empresas de projetos no dimensionamento de Sistemas de Aterramento.
Entretanto, há mais de uma década, vários especialistas vêm levantando limitações na aplicação desta Norma.
Com o desenvolvimento, na década de 70, dos programas de computador para cálculo de potenciais na superfície do solo [3], [4], [5], permitindo uma análise mais rigorosa do problema, estas limitações foram se tornando cada vez mais evidentes. Em 1979, Crowford e Guiffith [6], submetendo a malha exemplo da IEEE – 80 (versão 1976) a uma análise computacional, detectaram várias regiões problemáticas na faixa periférica da mesma. Paralelamente, testes de injeção de corrente em malhas de aterramento [7], tem confirmado a existência de potenciais na superfície do solo superiores aos valores calculados através das metodologias IEEE 80/76 e IEEE 80/86.
f \g=h'_abaiaj]kl
f \['g=m n o p o qo r st] hhh=u v wx y
De acordo com a metodologia IEEE 80/76 as tensões de toque e passo são calculadas pelas seguintes expressões:
a)Tensão de Toque Vt =Ki Km Im
Lt K = 1
2m π ln 7 8 5 6 3 + 1 4
π ln D
16hd
2
...
Ki = 0,172N + 0,65 b) Tensão de Passo Vp = Ki Ks Im
Lt K = 1
s π 1 2D
1 3D 1
D+h 1
2h+ + +
...
Ki = 0,172N + 0,65 Sendo:
Vt - Tensão de toque máxima (V) Vp - Tensão de passo máxima (V)
z{| }~}~ ~ | } 5 }~ |
êneo
Im - Corrente que circula entre malha e solo (A) Lt - Comprimento total de condutores enterrados Lt = Lh + Lv (m)
Lh- Comprimento de condutores horizontais (m) Lv - Comprimento de condutores verticais (m) D - Espaçamento entre os condutores (m) h - Profundidade da malha (m)
d - Diâmetro do condutor (m)
Km - Fator que leva em conta o espaçamento D, a profundidade h e o diâmetro do condutor d
Ki - Fator que leva em conta a não uniformidade da distribuição de corrente entre os condutores da malha
Ks - Fator similar a Km para efeito de cálculo dos potenciais de passo
Assim, aplicando os valores referentes à instalação, temos:
ρ1
ρ2
Im = 279,4A h = 0,6m
Lt = 396 + 12x3 = 432m Km = 0,22595
Ks = 0,74603
Ki = 2 (valor utilizado no projeto) EToque = 254,3V
EPasso = 839,2V
f \fg=m no p o qo r st ] hhhu v wu y
De acordo com a Metodologia IEEE – 80/86 as tensões de toque e passo são calculadas pelas seguintes expressões:
a)Tensão de Toque
Vt =Ki Km Im Lt K = 1
2m π
8
π(2n-1) Kii
Kh h 4d (D +2h) 8 D.h
2
+ +
ln D 16hd
2 ln
Ki = 0,656 + 0,172N (Geométrico) b) Tensão de Passo
Vp = Ki Ks Im Lt K = 1
s π
(1- 0,5 1 n-2) D
1 D+h + + 1
2 h
Ki = 0,656 + 0,172N (Máx) Sendo:
Vt - Tensão de toque máxima (V) Vp - Tensão de passo máxima (V)
z {| }~}~ ~ | ~| ~ = } =
Im - Corrente que circula entre malha e solo (A)
Lt = Lh + Lv(m) (Para malhas sem hastes, ou com poucas hastes localizadas internamente à malha fora do seu perímetro)
Lt= Lh + 1,15Lv(m) (Para malhas com hastes localizadas predominantemente ao longo do perímetro)
Lh - Comprimento de condutores horizontais (m)
Lv- Comprimento de condutores verticais (m) (usualmente hastes)
D - Espaçamento entre os condutores (m) h - Profundidade da malha (m)
d - Diâmetro do condutor (m)
Kii = 1 (Para malhas com hastes ao longo do perímetro, ou malhas com hastes nos cantos, no perímetro e em toda a área da malha)
Kii =
( ) 2 2
1
(Para malhas sem hastes, ou malhas compoucas hastes, nem localizadas nos cantos ou perímetro) n – número de hastes
Kh -
1+
/
ho = 1m (Profundidade referência)
NGeométrico =
×
NMáx = Máx (Nc , Nl)
Nc – Número de condutores no sentido do comprimento Nl – Número de condutores no sentido da largura D = / (NGeométrico - 1) (m)
Para cálculo de Km
D = Espaçamento para NMáx (m) Para cálculo de Ks
Assim, aplicando os valores referentes à instalação temos:
ρ1 ρ2 ! "# $%
Im = 339,64A h = 0,6m
Lt = 396 + 1,15 x 12 x 3 = 437,4m Km = 0,5449
Ks = 0,5424 Ki (Toque) = 2,204 Ki (Passo) = 3,236 EToque = 811,3V EPasso = 1185,7V
A análise do Sistema de Aterramento da SE Didática através do programa “Terra”, apresentou os valores das tensões de toque e passo conforme mostrado nas figuras 4 e 5. Estes potenciais foram calculados sobre os perfis definidos na planta do Sistema de Aterramento da SE Didática (Coelba) conforme Fig.3.
A tabela 1 apresenta as tensões de “mesh” máximas (mesh do canto) obtidas através do programa Terra, metodologia IEEE-80/76, metodologia IEEE-80/86 e valores medidos (normalizadas para GPR = 5770,5V).
A tabela 2 apresenta as tensões de Passo máximas obtidas pelas diversas metodologias utilizadas (normalizadas para GPR = 5770,5V).
Para determinação do perfil de potenciais de Passo foi escolhido um eixo partindo da quina da malha coincidente com o prolongamento da diagonal das
“mesh” de canto.
O máximo valor encontrado ocorreu no primeiro metro do eixo escolhido a partir do vértice. É possível através de uma pesquisa exaustiva na região da quina da malha, encontrar dois pontos afastados de um metro que apresente uma diferença de potencial maior do que a que foi encontrada na presente análise. Entretanto, além das dificuldades óbvias de se empreender tal pesquisa, não cremos que a diferença seria significativa.
TABELA 1
Tensão de “mesh” (Toque) Volts
Terra IEEE
80/76
IEEE 80/86
V medido Malha SE
Didática 28,5m x 15m
1204 254,3 811,3 579,5
Notas : d - diâmetro do condutor – 0,009m (50mm2) h - profundidade da malha – 0,6m
TABELA 2
Tensão de passo máxima (Volts)
Terra IEEE
80/76
IEEE 80/86
V medido Malha SE
Didática 28,5m x
15m 1148 839,2 1185,7 542
Os Potenciais de Toque e Passo existentes na SE Didática foram medidos através do método de injeção de corrente (Fig. 1).
O arranjo utilizado leva em consideração a influência da resistência do corpo RB e das resistências de contato RF
(entre pé e solo) nos valores medidos.
Foram utilizados dois eletrodos para representar a influência dos pés e um resistor (1k ! resistência do corpo (Fig. 2).
A localização dos pontos medidos está indicada na Fig. 3.
" #$ %& ('#) &
(#(*+
A tabela 3 apresenta os valores das resistências de aterramento da malha da SE Didática, calculadas pelas metodologias IEEE 80 – 76, IEEE 80 – 86, programa
“Terra” e valor medido (Método Potential Fall).
TABELA – 3
Método R malha (, IEEE 80 – 76
IEEE 80 – 86
“Terra”
Valor Medido Potential Fall
20,65 16,99 16,79 19,5
- #$ ).(& /
A partir das tabelas 1 e 2 pode-se observar que os resultados obtidos com a IEEE 80/76[1] de modo geral apresentaram uma correlação muito pobre com aqueles obtidos com o “Terra”.
A formulação proposta na IEEE 80/86[2] apresentou potenciais de toque inferiores e potenciais de passo superiores àqueles obtidos com o “Terra”.
Os valores medidos de potenciais de toque e passo apresentaram-se inferiores aos calculados pela metodologia IEEE 80/86, bem como, pelo aplicativo Terra.
A visualização da Figura 2 permite observar que a queda de tensão sobre a resistência do corpo RB é somente uma fração da tensão de toque total UT ou da tensão de passo total US, o restante compondo a queda de tensão sobre RF, a resistência de contato entre os pés do indivíduo e a terra, explicando desta forma a menor amplitude dos valores medidos.
0 )#)/ 1%)#21
As configurações atuais dos sistemas de aterramento, vem sofrendo significativas mudanças notadamente em relação à sua geometria, dificultando desta forma a aplicação dos equacionamentos propostos pela literatura existente. Além disso, o crescimento do Sistema Elétrico tem implicado em níveis de curto-circuito crescentes.
Desta forma, a utilização de aplicativos de engenharia no dimensionamento de Sistemas de Aterramento torna-se uma necessidade.
A medição de Potenciais de passo e toque à época do comissionamento é de fundamental importância como ferramenta de feedback ao projeto, bem como uma forma de garantia da segurança.
SISTEMA DE ATERRAMENTO SE DIDÁTICA
i i i i i
MALHA AUXI LI AR
i i i
F DG
D1
D2 G3
700m
Fig.1 Circuito de Injeção de Corrente.
Figura 2 – Choque Elétrico causado por Potenciais de Passo e Toque (a), Circuito Equivalente (b), Distribuição
de Potenciais na Superfície do Solo (c).
Perfil DIDA 1 Perfil
DID A 2
Fig.3 Planta e perfis calculados.
Fig.4 Potenciais ao longo do Perfil DIDA 1
Fig.5 Potenciais ao longo do Perfil DIDA 2
[1] IEEE Std 80/76 – IEEE Guide For Safety In AC Current Substation Grounding
[2] ANSI/IEEE Std 80/86 – IEEE Guide For Safety In AC Substation Grounding
[3] Optimum Design of Substation Grounding in a Two Layer Earth Structure – IEEE PAS Vol.94 no 2 March/April 1975.
[4] Multi Step Analysis of Interconnected Ground Eletrodes – IEEE PAS Vol.95 no 1 Jan/feb 1976.
[5] Computation of Potential at Surface Above an Energized Grid or Other Eletrode, Allowing Non- Uniform Current Distribution – IEEE PAS Vol.98 no 6 Nov/Dec 1979.
[6] A Closer Look at “the Facts of life” in Ground Mat Design – IEEE IAS Vol. IA-15 no 3 May/June 1979.
[7] Testes de Injeção de Corrente em Malhas de Aterramento de Subestações VII SNPTEE – BSB/GSE/02 Brasília DF 1984
[8] Programa Terra Cálculo de Aterramento para Sistemas Elétricos – Rio de Janeiro – Novembro de 1989
[9] Field Measurements of Touch and Step Voltages IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems Vol Pas – 103, No II, November 1984
[10] Memória de Cálculo – Sistema de Aterramento SE Didática – COELBA