Monografia

(1)

faculdade de engenharia da universidade do

porto

mestrado integrado em engenharia electrot´

ecnica e de

computadores

T´

ecnicas de Alta Tens˜

ao

Sistemas de Liga¸cão à Terra - Princ´ıpios de conce¸cão e diferentes tipos de solu¸cões

Grupo:

Ariana Martins

Diogo Pereira

Professor:

Doutor Ant´

onio Machado e

Moura

(2)

Conte´

udo

1 Introdu¸c˜ao 2

2 Liga¸c˜ao `a Terra 3

2.1 Liga¸c˜oes `a terra: . . . 4

2.2 Dimensionamento de Sistemas de Terra: . . . 5

2.2.1 El´etrodo Terra . . . 5

2.2.2 Propriedades do solo: . . . 6

2.2.3 Condutores de Terra . . . 8

2.2.4 Sistemas de liga¸c˜ao `a terra . . . 8

3 Frequência de alimenta¸cão ideal para liga¸cões à terra 9 3.1 Impedância de Terra: . . . 10

3.1.1 Cálculo da resistência de terra no elétrodo terra: . . . 10

3.1.2 Impedˆancia de cadeia para sistemas terra em apoios: . . . 10

3.1.3 Impedˆancia de terra para sistemas com cabos protegidos com ba´ınha . . . 11

3.2 Intera¸c˜ao entre correntes de defeito e sistemas de terra . . . 12

4 Liga¸cões de Terra em Instala¸cões Especiais 13 4.1 Subesta¸cões isoladas a gás - GIS substations . . . 13

4.2 Sistemas de terra para vias f´erreas . . . 13

4.3 Torres de telecomunica¸c˜oes . . . 13

4.4 Centrais eólicas . . . 14 5 Liga¸cões Portáteis à Terra 14

6 Conclus˜ao 15

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1 Introdu¸

c˜

ao

A importância dos sistemas de liga¸cão à terra é primordial no que diz respeito à garantia de seguran¸ca e correto funcionamento dos sistemas elétricos. No entanto, sendo este artigo desen-volvido no âmbito da unidade curricular de Técnicas de Alta Tensão, onde o foco incidirá nos sistemas relacionados com a Alta Tensão, ainda mais imperativa se torna esta questão já que, devido às elevadas tensões existentes nestes sistemas, os riscos que as mesmas comportam são exacerbados, tanto para as pessoas como para os materiais. Assim, um sistema de liga¸cão à terra deve conseguir garantir:

Seguran¸ca para as pessoas: quer profissionais, quer cidad˜aos comuns;

Manuten¸c˜ao da integridade dos equipamentos e consequente garantia de fiabilidade do sis-tema el´etrico;

Capacidade de resistência aos esfor¸cos mecânicos, bem como à meteoriza¸cão ambiental, de preferência, durante o tempo de vida do equipamento onde está instalado;

Capacidade de resistência aos esfor¸cos térmicos e às correntes de fuga.

Seguran¸ca, no caso das linhas de alta tensão (primordialmente, aéreas), perante acidentes decorrentes do meio onde se envolvem, tais como incêndios, quedas de árvores, embates, etc.

Posto isto, o planeamento, o cálculo e a montagem dos sistemas de terra merece um estudo delicado e aprofundado de forma a que estes garantam a sua eficiência durante o tempo de vida da instala¸cão. Deste modo, o sistema de terra deve ser projetado de forma a possuir a resistência menor e mais económica poss´ıvel de forma a conduzir as correntes de fuga diretamente para a terra, assegurando os n´ıveis de potencial previstos pelas normas internacionais.

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2 Liga¸

c˜

ao `

a Terra

De acordo com o NEC - National Electrical Code, define-se como terra ”o estabelecimento de uma liga¸cão condutora, quer propositada, quer acidental, entre um circuito elétrico ou o equipa-mento e a terra”. Assim, tendo em conta que a liga¸cão à terra é fundamental do ponto de vista de seguran¸ca e fiabilidade da instala¸cão, o planeamento da mesma é o primeiro passo a ser efetuado no dimensionamento. O objetivo primordial é que a liga¸cão à terra, efetuada no neutro dos trans-formadores ou nas impedâncias de terra, seja feita de forma a que as correntes de fuga circulem, de forma máxima, neste elétrodo. Para o correto dimensionamento do elétrodo terra, devem ser tidas em conta três tipos diferentes de tensões:

Tensão de Contacto: segundo a norma IEEE Std 80-2000, define-se como ”a diferen¸ca de potencial existente entre a eleva¸cão do potencial de terra e a superf´ıcie onde se encontra um indiv´ıduo que tenha um membro em contacto com a superf´ıcie em tensão e outro em contacto com a terra.”

Figura 1: Representa¸cão esquemática da tensão de contacto e respetivo circuito representativo

O cálculo da tensão de contacto é tal que:

Vc = (Rch+

Rc

2 ).Ich (1)

sendo:

• Rch: resistˆencia do corpo humano (≈ 1000 Ω);

• Rc: resistˆencia de contacto;

• Ich: corrente de choque que atravessa o corpo humano.

Tens˜ao de Passo: segundo a norma IEEE Std 80-2000, define-se como ”a diferen¸ca de potencial sentida por um indiv´ıduo que se encontre a uma distˆancia de um metro da superf´ıcie em contacto, sem ter nenhuma parte do corpo apoiada num objeto ao potencial da terra.”

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Figura 2: Representa¸cão esquemática da tensão de passo e respetivo circuito representativo

O cálculo da tensão de passo é tal que:

Vpasso = (2.Rc+ Rch).Ich (2)

sendo:

• Rc: resistˆencia de contacto;

• Rch: resistˆencia do corpo humano (≈ 1000 Ω);

• Ich: corrente de choque que atravessa o corpo humano.

Tens˜ao da Malha de Defeito: tens˜ao que surge na malha de defeito - malha que se estabelece entre as partes ativas e a massa.

2.1 Liga¸

c˜

oes `

a terra:

´

E necessário considerar diferen¸cas substanciais nos sistemas de liga¸cão à terra envolvendo sis-temas de baixa tensão (considerados, por norma, todos os sistemas com tensões estipuladas entre 50 V e 1000 V) e de alta tensão. Todos os sistemas de terra respeitantes a baixas tensões exi-gem liga¸cões sólidas do neutro à terra e, de nenhuma forma, devem ser inseridas impedâncias nas liga¸cões à terra.

A liga¸cão dos sistemas de alta tensão apresenta inúmeras vantagens, tais como:

Em alta tensão, por vezes, ocorrem oscila¸cões a n´ıvel das correntes que, preferencialmente, devem originar curto-circuitos que fluem pelo elétrodo terra, de forma a que não existam danos nos equipamentos;

Opera¸cão rápida face à extin¸cão de defeitos, restringindo-o à sua zona de ocorrência; Garantia que nos condutores ativos, a tensão de fase nunca é ultrapassada, pelo que,

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Atenua¸cão das cargas capacitivas que são bastante evidentes em linhas aéreas (note-se que as linhas de alta tensão são predominantemente aéreas).

No entanto, a existência de liga¸cão à terra introduz susceptância no caminho até à terra, o que pode representar inconvenientes, em zonas com ´ındices ceráunicos elevados.

2.2 Dimensionamento de Sistemas de Terra:

A primordial importância de um sistema de terra, sobretudo no que diz respeito a sistemas de alta tensão, é ser dimensionado de forma a suportar esfor¸cos qu´ımicos e mecânicos num intervalo de tempo, comum ao tempo de vida da instala¸cão elétrica a que está afecto. Deste modo, existem parâmetros elétricos que devem ser considerados, tais como:

Corrente de fugas: de acordo com a norma IEEE Standard, é o valor eficaz da corrente que flui para a terra após a ocorrência de um defeito;

Dura¸cão da falha: instante de tempo que decorre desde do in´ıcio do defeito até que o mesmo é extinto;

Propriedades do solo: conjunto de caracter´ısticas geol´ogicas, qu´ımicas e mecˆanicas que caracterizam o solo onde ocorre o aterramento.

Nota para o facto da corrente de fugas depender do tipo de liga¸cão do neutro com a terra. A liga¸cão à terra de um sistema compreende o elétrodo terra, os condutores de terra e os condutores protegidos com blindagem.

2.2.1 El´etrodo Terra ´

E imperativo que a escolha do material do elétrodo terra permita ao mesmo tornar-se resis-tente à corrosão e ao stress mecânico provocado por eventuais caracter´ısticas f´ısico-qu´ımicas do solo onde o mesmo será implementado, quer seja durante a instala¸cão, quer seja durante o normal funcionamento do sistema elétrico.

Existem inúmeras formas de aterramento, desde das que recorrem a esferas, placas, fitas metálicas, até configura¸cões de cablagens. A liga¸cão à terra é constitu´ıda por três partes dis-tintas: as conexões que ligam o sistema ao elétrodo, o próprio elétrodo e a terra em volta do mesmo.

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Para se avaliar a liga¸cão à terra, electricamente, devem ser considerados três parâmetros: a resistência, a capacidade e a indutância. A indutância permite quantificar a oposi¸cão à corrente que flui, ou tende a fluir, para o solo.

Os el´etrodos terra podem apresentar as seguintes configura¸c˜oes:

• De superf´ıcie: quando se emprega fita ou cablagem, ordenada sob a forma horizontal ou fechada em anel;

• Em estaca vertical: quando se emprega uma vara condutora que penetra o solo de forma a encontrar estratos com condutividades diferentes;

• Em malha reticulada: realiza¸c˜ao de uma matriz, horizontal, enterrada no solo;

• Elétrodo de funda¸cão: empregue em constru¸cões de betão, em que o elétrodo é agrupado à constru¸cão, fazendo parte das funda¸cões da infraestrutura em causa.

2.2.2 Propriedades do solo:

A propriedade do solo de primordial importˆancia no dimensionamento do sistema de terra ´e a resistividade, dada por:

ρ = RA

l (3)

No entanto, há que notar que, no seu estado natural, o solo é um mau condutor elétrico, tanto pior se o solo se encontrar seco ou gelado. No entanto, as caracter´ısticas posteriormente indicadas exercem influência no seu comportamento:

• Tipo de solo; • Humidade; • Concentra¸c˜ao de sais; • Temperatura; • Granulometria; • Estratifica¸c˜ao.

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Para que seja poss´ıvel entender melhor a varia¸c˜ao da resistividade com estas caracter´ısticas, vem que:

Tabela 1: Varia¸cão da resistividade do solo com a sua constitui¸cão geológica Tipo de Solo Resistividade (Ωm)

Solos ar´aveis 50-500 Argila 300-5000

Areia 1000-8000 Calc´ario 500-5000 Granito e Arenito 100-10000

Basalto 10000-20000

Figura 4: Varia¸c˜ao da resistividade com a) sais b) humidade c)temperatura do solo

Claro está que, a resistividade do solo terá influência direta na tensão de contacto, já indicada anteriormente. Assim, é poss´ıvel analisar através de:

Tabela 2: Varia¸cão da tensão de contacto com a resistividade do solo Resistividade (Ωm) Tensão de Contacto (V)

0 10 50 10,74 100 11,5 200 13 300 14,5 400 16 500 17,5 1000 25 2000 40 3000 55

Para o estudo dos solos recorre-se a diversas análises tais como cartas geológicas, perfura¸cões, diagramas s´ısmicos e mapas de resistividade.

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2.2.3 Condutores de Terra

Em altas tensões, é comum que os cabos apresentem ba´ınhas metálicas ou armaduras em volta do condutor. Durante a ocorrência de defeitos, são este tipo de cabos que ficam responsáveis por deixar fluir as correntes de defeito até à terra. O condutor de terra deverá ser um cabo isolado para não ser afectado pela corrosão ou outro tipo de desagaste que pode comprometer a seguran¸ca do sistema.

2.2.4 Sistemas de liga¸c˜ao `a terra

O dimensionamento da blindagem exige um tratamento cuidado já que, considerando apenas o efeito da blindagem, este efeito pode ter consequências que afectam o funcionamento do sis-tema elétrico e podem contribuir para o aumento das perdas por efeito Joule. Existem vários tipos de liga¸cão à terra, mas, independentemente do sistema a adoptar, cujas diferen¸cas serão posteriormente explanadas, estes sistemas devem ser capazes de garantir:

• A condu¸c˜ao `a terra das correntes capacitivas, mantendo as blindagens a um potencial seme-lhante ao da terra, em regime normal;

• A condu¸cão das correntes de fuga não devem ser comprometidas aquando da ocorrência de um curto-circuito;

• A integridade da rigidez do isolamento entre a blindagem e a terra no caso de ocorrˆencia de sobretens˜oes.

Sistema de liga¸c˜ao r´ıgida `a terra

Nos sistemas de liga¸cão r´ıgida à terra é realizada uma liga¸cão direta entre as três fases e a terra para que seja, o mais poss´ıvel, uniformizar o potencial do sistema com a terra.

Figura 5: Esquema representativo das liga¸c˜oes r´ıgidas `a terra

Note-se que não é adoptada nenhuma configura¸cão espec´ıfica para evitar a passagem das cor-rentes pela blindagem, que ao não serem controladas, irão contribuir para o incremento das perdas Joule. É prudente proceder à liga¸cão das blindagens entre si e às terras numa distância de, apro-ximadamente, 2 quilómetros caso os n´ıveis de tensão em uso se aproximem dos limites de tensão de rotura da ba´ınha.

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Sistema de liga¸c˜ao especial `a terra

Estes sistemas são caracterizados pela circula¸cão permanente de corrente pela blindagem, em regime normal de funcionamento. Para evitar as elevadas perdas, opta-se por se proceder à liga¸cão das blindagens, promovendo a forma¸cão de circuitos fechados. Isto promove a prática do aumento da distãncia entre fases para diminui¸cão de perdas e diminui a absor¸cão das correntes capacitivas na linha, por meio da diminui¸cão da seçcão do condutor.

Sistema de liga¸c˜ao `a terra resistivo

O neutro e a terra são conectados através de uma resitência. Em sistemas acima dos 11 kV ´

e utilizada uma LER - Liquid Earthing Resistor. O valor da resistˆencia ´e arbitrado mediante a magnitude das correntes de fuga.

Sistema de liga¸cão à terra com reatâncias

Através deste método, utiliza-se uma reatância entre o neutro e a terra. Há apenas uma condi¸cão que deve ser verificada neste tipo de liga¸cão: é recomendado que a corrente de defeito não deva ser reduzida a menos de 60 % da tensão nominal de forma a evitar a ocorrência de sobretensões dinâmicas.

Sistema de liga¸c˜ao `a terra ressonante

Utiliza-se uma reatância entre o neutro e a terra de forma a compensar a fase de da corrente capacitiva. Este método tem duas grandes vantagens: durante a ocorrência de um defeito fase-terra, a prolifera¸cão de um arco elétrico é suprimida automaticamente sem que haja interrup¸cão da corrente; para além disso, é poss´ıvel que a rede continue a operar, apesar da ocorrência do defeito, na medida em que a capacidade da corrente de defeito à terra é compensada. No entanto, este tipo de sistema, pode comprometer o funcionamento das fases ”saudáveis”bem como tornar a localiza¸cão do defeito mais dif´ıcil.

3 Frequˆ

encia de alimenta¸

c˜

ao ideal para liga¸

c˜

oes `

a terra

Antes de mais, para que possa ser determinada e definida uma frequência de alimenta¸cão, é necessário estudar um conjunto de aspectos:

• a medi¸cão da resistência de terra e a formula¸cão do modelo de terra; • cálculo da impedância de terra;

• c´alculo das correntes de defeito para v´arios locais;

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3.1 Impedˆ

ancia de Terra:

3.1.1 Cálculo da resistência de terra no elétrodo terra:

A resistência de um elétrodo hemisférico de raio r, num solo com resistividade ρ é dada por:

R = ρ

2πr (4)

A resistência de terra varia de tal modo que quando maior e mais complexo for o sistema, menor deverá ser o seu valor. A não ser que o sistema de terra seja muito extenso ou se situe num solo com uma resistividade muito baixa, a impedância de série dos condutores de terra é consideravelmente mais baixa que a resistência de terra.

3.1.2 Impedˆancia de cadeia para sistemas terra em apoios:

O dimensionamento da impedância de cadeia depende do tamanho e do tipo do fio-terra, do tamanho e formato da base do apoio e, finalmente, da natureza do solo em volta do apoio e aonde será feita a conexão. Para que sejam percet´ıveis as diferen¸cas advindas da altera¸cão de um destes parâmetros em rela¸cão à resistência de cadeia, repare-se na varia¸cão da mesma, para solos com diferentes resistividades e para diferentes valores de resistência do apoio, à frequência industrial (50 Hz).

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Figura 7: Varia¸cão da impedância de cadeia com a resistência do apoio (50 Hz)

Note-se que, este parâmetro também apresenta varia¸cões significativas caso estejamos a falar de HVAC ou HVDC (High Voltage AC ou High Voltage DC ).

Figura 8: Varia¸c˜ao da impedˆancia de cadeia para AC e DC (50 Hz)

Deste modo, pode-se concluir que este ´e mais um dos fatores que poder´a contribuir para um amplo crescimento do transporte de energia, em DC.

3.1.3 Impedˆancia de terra para sistemas com cabos protegidos com ba´ınha

No que diz respeito a redes de distribui¸cão urbana, que apresentam valores de alta tensão baixos, é comum recorrer-se ao uso de cabos com ba´ınhas. Este tipo de cabo assume a primoridal fun¸cão de ligar as terras das subesta¸cões, permitindo, deste modo, a cria¸cão de um extenso sistema de aterramento. Assim, deste modo, surge uma questão que deve ser avaliada, resultante da

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extensão que o cabo terá de percorrer e o seu consequente efeito na magnitude da impedância de terra.

Figura 9: Varia¸c˜ao da impedˆancia de terra com o comprimento do cabo

Nota apenas para o facto de cabos com ba´ınhas em pl´asticos se exceptuarem a este comporta-mento.

3.2 Intera¸

c˜

ao entre correntes de defeito e sistemas de terra

A principal importância da determina¸cão das correntes de defeito diz respeito ao dimensiona-mento dos dispositivos de prote¸cão. No entanto, o cálculo destas correntes é também necessário para se determinar a quantidade de eletrões que flui para a terra, no caso de ocorrência de um defeito e para determinar qual a eleva¸cão de potencial provocada pelo mesmo. A determina¸cão da corrente de defeito é feita tendo em conta a sua componente simétrica e a sua componente assimétrica, determinadas através de equa¸cões respeitantes aos regimes estacionários. No entanto, as aproxima¸cões consideradas nestas equa¸cões introduzem erros de elevada magnitude, pelo que devem ser efetuadas corre¸cões.

Quando um defeito à terra ocorre numa subesta¸cão, a corrente regressa através da terra, pelo caminho de menor impedância e entra na rede de terras ligada ao neutro. Caso o sistema de terras estivesse conectado à subesta¸cão, passaria a estabelecer-se outro caminho de retorno para a corrente de defeito, tal como é indicado na figura seguinte.

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Figura 10: Circuito representativo do caminho da corrente de defeito

Assim, Igr ´e dada por:

Igr = If

zc− zmp,c

zc+ ((ZeA+ ZeB)/lAB)

(5)

Assim, pode-se concluir que, quando estamos perante circuitos de pequenas dimensões, a mag-nitude da corrente que regressa pela terra é altamente influenciada pelos valores de impedância da subesta¸cão. Por outro lado, quando estamos perante linhas aéreas, cuja extensão é elevada, a magnitude das impedâncias de terra das subesta¸cões são suficientemente baixas, em compara¸cão com as impedâncias longitudinais, de forma a que não são criadas interferências na corrente de distribui¸cão.

4 Liga¸

c˜

oes de Terra em Instala¸

c˜

oes Especiais

4.1 Subesta¸

c˜

oes isoladas a g´

as - GIS substations

As subesta¸cões isoladas a gás são caracterizadas pela pequena área que ocupam e pelos elevados transitórios que sofrem em opera¸cões de reconfigura¸cão. Assim, ao contrário do que já foi indicado, que para dimensionamento é comum utilizarem-se equa¸cões respeitantes ao estudo dos regimes estacionários, aqui torna-se vital avaliar os comportamentos transitórios para dimensionamento das terras.

4.2 Sistemas de terra para vias f´

erreas

Devido aos n´ıveis de tensão espec´ıficos que existem nas linhas férreas, alimenta¸cão AC que varia entre os 25 kV e os 132 kV, as subesta¸cões implantadas perto destes sistemas podem cau-sar problemas de interferência que podem alterar todo o comportamento do sistema no caso de ocorrência de defeitos.

4.3 Torres de telecomunica¸

c˜

oes

De um prisma económico, a prática de utilizar apoios destinados ao transporte e distribui¸cão de energia para implanta¸cão de transmissores de telecomunica¸cões tornou-se crescente. Deste modo,

(15)

´

e poss´ıvel que ocorram situa¸cões em que o transporte de energia apresente n´ıveis de tensão muito mais elevados do que os utilizados nas telecomunica¸cões o que, pela mesma base cient´ıfica, descrita para as linhas férras, pode resultar na adultera¸cão do dimensionamento das correntes de defeito.

4.4 Centrais e´

olicas

Devido ao facto de existir mais abundância de recurso natural (vento) em locais com ele-vadas altitudes, existe uma rela¸cão direta com a resistividade dos solos nestes mesmos locais. Para além do mais, os subesta¸cões responsáveis pela inje¸cão de eólica na rede são, por questões técnico-económicas, bastante compactas e a sua resistência de terra pode não ser tão baixa como o desejável, impedindo que as correntes de defeito fluam para a terra.

5 Liga¸

c˜

oes Port´

ateis `

a Terra

O uso de liga¸cões à terra portáteis assume um especial interesse no que diz respeito aos trabalhos em tensão, que são, cada vez mais, uma ferramenta important´ıssima no que concerne à garantia de fiabilidade do sistema e à minimiza¸cão das interrup¸cões sofridas pelo mesmo. Deste modo, à semelhan¸ca dos sistemas de terra convencionais, este sistema visa criar um caminho para a fluência das correntes de fuga, diretamente à terra e pode ser aplicado a linhas, cabos ou subsesta¸cões, providenciando trabalhos nestes locais, de forma segura.

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6 Conclus˜

ao

Dentro da área de electrotecnia, mais concretamente no que diz respeito ao dimensionamento de sistemas elétricos, o estudo dos sistemas de terra continuará a ser vital, na medida em que têm, obrigatoriamente, de serem implementados com êxito já que, o seu mau dimensionamento traz adjacentes inúmeros problemas, quer de seguran¸ca para os cidadãos e técnicos, quer para a integridade do sistema.

Após a elabora¸cão deste trabalho, foi poss´ıvel concluir que o dimensionamento de um sistema de terra engloba várias fun¸cões complexas que variam consoante inúmeros critérios, desde do local onde é feita a instala¸cão até ao tipo de instala¸cão que está a ser projetada. Para além do mais, continuam a ser desenvolvidos trabalhos experimentais que visam a melhoria e o aumento de eficácia destes sistemas e tentam colmatar todas as falhas que ainda existem.

Apesar do limite imposto à complexidade desta monografia, o tema em questão apresenta muito mais questões que poderiam ser aprofundadas, sobretudo no que concerne ao atual desenvolvimento destes sistemas.

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7 Bibliografia

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• Seal, M.D - Resistance Grounding System Basics

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• Beltani, J.M - Medi¸c˜ao de Malha de Terra em Subesta¸c˜oes Energizadas • IEEE - Guide for Safety in AC Substation Grounding

• TransGrid - Portable Earthing of High Voltage Conductors

• Oliveira, D.X.P - Importância das Condi¸cões de Seguran¸ca nos Trabalhos em Tensão • Prasad, D. and Sharma, H.C - Designing and Earthing and Bonding System for High Voltage

Substations