Aterramento elétrico

Aterramento elétrico

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1. Oque é um aterramento elétrico?

2. Os objetivos do aterramento do sistema

3. Por que deve-se preferir os sistemas aterrados?

4. Funções básicas dos sistemas de aterramento

5. Alguns conceitos importantes sobre aterramento

6. Ligação à terra

7. Eletrodos de aterramento

8. Aterramento e corrosão

9. Oaterramento e os diversos sistemas de proteção

10. Oaterramento único das instalações elétricas 1. Bibliografia

Autores

Hilton Moreno- Engenheiro eletricista, professor da Escola de Engenharia Mauá - SP,membro do Comitê Brasileiro de Eletricidade da Associação Brasileira de Normas Técnicas.

Paulo Fernandes Costa- Engenheiro eletricista, professor da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais e CEFET - MG, mestre em engenharia elétrica pela UFMG, diretor técnico da Senior Engenharia e Serviços Ltda.

O Instituto Brasileiro do Cobre - PROCOBRE promove campanhas de conscientização, distribui publicações e patrocina cursos e palestras. O cobre participa de uma vida melhor.

O termo aterramento se refere à terra propriamente dita ou a uma grande massa que se utiliza em seu lugar. Quando falamos que algo está "aterrado", queremos dizer então que, pelo menos, um de seus elementos está propositalmente ligado à terra.

Em geral, os sistemas elétricos não precisam estar ligados à terra para funcionarem e, de fato, nem todos os sistemas elétricos são aterrados. Mas, nos sistemas elétricos, quando designamos as tensões, geralmente, elas são referidas à terra. Dessa forma, a terra representa um ponto de referência (ou um ponto de potencial zero) ao qual todas as outras tensões são referidas. De fato, como um equipamento computadorizado se comunica com outros equipamentos, uma tensão de referência "zero" é crítica para a sua oper ação apropriada.

A terra, portanto, é uma boa escolha como ponto de referência zero, uma vez que ela nos circunda em todos os lugares. Quando alguém está de pé em contato com a terra, seu corpo está aproximadamente no potencial da terra. Se a estrutura metálica de uma edificação está aterrada, então todos os seus componentes metálicos estão aproximadamente no potencial de terra.

Potencial de terra

Diferença de potencial em relação à terra

Estrutura no potencial de terra

Pessoa no potencial de terra

Figura 1

[1]"Sistemas de aterramento para equipamentos eletrônicos sensíveis" Paulo Fernandes Costa, 1998

[2]"Proteção contra descargas atmosféricas" , 3ª edição, 1997

Duílio Moreira Leite e Carlos Moreira Leite Officina de Mydia

[3]"IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial

Power Systems" “IEEE Std 142-1991 - Institute of Electrical and Electronics Engineers”, Inc.

[4]"IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Eletronic

Equipment” “IEEE Std 10-1992 - Institute of Electrical and Electronics Engineers”, Inc.

[5]"Técnicas de aterramentos elétricos"

Duílio Moreira Leite e Carlos Moreira Leite Officina de Mydia, 2ª edição, 1996

[6]"A compatibilidade eletromagnética"

Ara Kouyoumdjian, Roland Calvas, Jacques Delaballe M Editora/Groupe Schneider, 1998

[7]"Proteção das pessoas contra choques elétricos" BTicino/Pirelli, 1989

[8]"NBR 5410/1997 - Instalações elétricas de baixa tensão" Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1997

[9]"NBR 5419/1993 - Proteção das estruturas contra descargas atmosféricas" Associação Brasileira de Normas Técnicas, 1993

[10]"A power quality primer" CDA - Copper Development Association Inc., USA, 1998

[1]“Características e evolução dos sistemas de aterramento para equipamentos eletrônicos” Revista Eletricidade Moderna, maio, 1992 Paulo Fernandes Costa

[13]“Transient system analysis on a personal computer”

John Wiley E. Sons El Chenaver C., 1988

[14]“Grounding and Shielding in Facilities”

John Wiley E. Sons Morrison R., 1990

[15]“Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation”

John Wiley E. Sons Morrison R., 1986

[17]“Computer Business Equipment Manufactures Association” A Curva CBEMA - CBEMA

1. BIBLIOGRAFIA

Aterrar o sistema, ou seja, ligar intencionalmente um condutor fase ou, o que é mais comum, o neutro à terra, tem por objetivo controlar a tensão em relação à terra dentro de limites previsíveis. Esse aterramento também fornece um caminho para a circulação de corrente que irá permitir a deteção de uma ligação indesejada entre os condutores vivos e a terra. Isso provocará a operação de dispositivos automáticos que removerão a tensão nesses condutores.

O controle dessas tensões em relação à terra limita o esforço de tensão na isolação dos condutores, diminui as interferências eletromagnéticas e permite a redução dos perigos de choque para as pessoas que poderiam entrar em contato com os condutores vivos.

O primeiro objetivo do aterramento dos sistemas elétricos é proteger as pessoas e o patrimônio contra uma falta (curto-circuito) na instalação. Em termos simples, se uma das três fases de um sistema não aterrado entrar em contato com a terra, intencionalmente ou não, nada acontece. Nenhum disjuntor desliga o circuito, nenhum equipamento pára de funcionar. Os sistemas não aterrados foram muito populares nas instalações industriais na primeira metade do século 20, precisamente porque as cargas acionadas por motores, que eram muito comuns na época, não parariam simplesmente por causa de um curto-circuito fase-terra.

No entanto, uma consequência desse tipo de sistema é que é possível energizar a carcaça metálica de um equipamento com um potencial mais elevado do que o da terra, colocando as pessoas que tocarem o equipamento e um componente aterrado da estrutura simultaneamente, em condições de choque.

O segundo objetivo de um sistema de aterramento é oferecer um caminho seguro, controlado e de baixa impedância em direção à terra para as correntes induzidas por descargas atmosféricas.

3.Por que deve-se preferir os sistemas aterrados?

Potencial de terra Sem aterramento, a carcaça assume um potencial elevado em relação à terra

•ligação dos terminais de terra dos protetores de sobretensão instalados juntos aos aparelhos eletrônicos no interior da instalação, através dos condutores de proteção dos circuitos terminais até o TAP;

•ligação de todos os terminais de terra dos equipamentos da instalação elétrica (chuveiros elétricos, torneiras elétricas, aquecedores, motores, etc), através dos condutores de proteção dos circuitos terminais até o TAP;

•ligação das malhas de aterramento dos equipamentos eletrônicos sensíveis ao TAP através de condutores de equipotencialidade os mais curtos e retos possível.

Caso não se utilize a malha e sim o sistema de ponto único, ligar os condutores de proteção ao TAP de forma radial e a mais curta possível;

•ligar todos os condutores de equipotencialidade da instalação ao TAP do modo mais curto e reto possível.

Figura 2

Podemos resumir as funções de um sistema de aterramento nos seguintes tópicos:

4.1 - Segurança pessoal

A conexão dos equipamentos elétricos ao sistema de aterramento deve permitir que, caso ocorra uma falha na isolação dos equipamentos, a corrente de falta passe através do condutor de aterramento ao invés de percorrer o corpo de uma pessoa que eventualmente esteja tocando o equipamento.

Dispositi vo proteção

4.2 - Desligamento automático

O sistema de aterramento deve oferecer um percurso de baixa impedância de retorno para a terra da corrente de falta, permitindo, assim, que haja a operação automática, rápida e segura do sistema de proteção.

Um projeto de aterramento moderno, eficiente e integrado

Resumindo tudo o que foi exposto nessa publicação, podemos verificar que um projeto de aterramento que satisfaça às exigências atuais de funcionalidade e atenda às normas em vigor deve possuir as seguintes características:

•utilização da ferragem da estrutura, interligada em anel por um condutor de cobre nu, como eletrodo de aterramento;

•presença do TAP no quadro geral de baixa tensão, interligado ao anel enterrado por meio de um cabo de cobre isolado;

•ligações, por meio de cabos de cobre nus ou isolados, de todos os elementos metálicos não energizados que entram na edificação, tais como tubulações de água, esgoto, etc, até o TAP. Essas ligações devem ser radiais, as mais curtas possíveis;

•utilização de protetores contra sobretensões na entrada instalação, seja na linha de força, na linha de telefonia, de sinal etc. Os terminais de terra desses protetores devem ser ligados ao TAP por meio de cabos de cobre isolados;

I∆N RA≤50 V

I∆N id

= tensão de contato limite (50 V)

Esta condição permite resistências de aterramento muito elevadas, de fácil realização.

(dispositivo DR)

Figura 3A -Com aterramento, a corrente praticamente não circula pelo corpo.

Figura 3B -Sem aterramento, o único caminho é o corpo.

Figura 4 Figura 26 - Proteção com dispositivo diferencial-residual.

4.3 - Controle de tensões

O aterramento permite um controle das tensões desenvolvidas no solo (passo, toque e transferida) quando um curto-circuito fase-terra retorna pela terra para a fonte próxima ou quando da ocorrência de uma descarga atmosférica no local.

4.4 - Transitórios

O sistema de aterramento estabiliza a tensão durante transitórios no sistema elétrico provocados por faltas para a terra, chaveamentos, etc, de tal forma que não apareçam sobretensões perigosas durante esses períodos que possam provocar a ruptura da isolação dos equipamentos elétricos.

4.5 - Cargas estáticas

O aterramento deve escoar cargas estáticas acumuladas em estruturas, suportes e carcaças dos equipamentos em geral.

Em qualquer projeto, deve ser assegurado que todos os tipos de proteções necessárias (choque, descargas atmosféricas diretas, sobretensões, equipamentos eletrônicos, descargas eletrostáticas) se juntem em um único ponto de aterramento, garantindo, assim, a tão desejada e fundamental equipotencialidade.

Terminal de Aterramento Principal - TAP

Esse ponto de convergência do sistema de aterramento de uma instalação elétrica é o chamado TAP (Terminal de Aterramento Principal).

O TAP possui algumas características particulares, a saber:

a)Deve ser constituído por uma barra retangular de cobre nu de, no mínimo, 50mm de largura x 3mm de espessura x 500mm de comprimento; b)Deve ser instalado isolado da parede (por meio de isoladores de baixa tensão em epoxi, porcelana, etc.), e o mais próximo possível do nível do solo. Na prática, geralmente, o TAP é instalado no interior do quadro geral de baixa tensão da instalação; c)Deve ser ligado em um único ponto ao anel de aterramento por meio de um cabo isolado de seção mínima 16mm. Essa ligação deve ser a mais direta e curta possível.

Resistência de aterramento

Com a equipotencialidade assegurada, o valor absoluto da resistência de aterramento deixa de ser o fator mais importante. No entanto, a NBR 5419/93 recomenda um valor máximo em torno de 10Ω. A NBR 5410/97 não traz nenhum valor máximo em particular, mas apresenta, para o caso da proteção contra contatos indiretos, uma fórmula para a

determinação do valor da resistência, que é dada por R = UL/ la, onde:

UL -tensão limite de contato (50V ou 25V, nas situações 1 ou 2); Ia-corrente de atuação do dispositivo DR (da ordem de 30 mA).

Assim, para 50V e 30 mA, temos R = 1,7kΩ, valor extremamente elevado e muito fácil de ser obtido. Mesmo para DRs de 500 mA, teríamos uma resistência máxima de aterramento de 50V/ 500 mA = 100Ω, também fácil de ser conseguido (figura 26).

Logo, se for adotado o valor de 10Ωda norma NBR 5419/93, estará assegurado um bom valor de resistência de aterramento e fácil de ser obtido, sobretudo se for utilizada a ferragem das fundações da estrutura.

10. Oaterramento único das instalações elétricas

Potencial de terra

Corpo carregado isolado da terra

Figura 5A -Corpo (estruturas, suportes, carcaças, etc.) isolado da terra, com carga acumulada.

Figura 5B -Corpo ligado à terra.

O transformador de isolamento, é um equipamento que possui uma blindagem eletrostática (material não magnético como o alumínio, por exemplo), envolvendo um ou mais de seus enrolamentos. Esta blindagem, sendo aterrada, reduz o acoplamento capacitivo entre os enrolamentos. Para a maioria das aplicações, uma única blindagem é suficiente.

9.5 - Proteção contra descargas eletrostáticas

A acumulação de eletricidade estática em equipamentos, materiais armazenados ou processados e em pessoal de operação introduz um sério risco nos locais onde estão presentes líquidos, gases, poeiras ou fibras inflamáveis ou explosivas.

A eletricidade estática é, provavelmente, a primeira forma de eletricidade registrada pela Humanidade, estando reportada em escritos gregos de 600 anos Antes de Cristo. Ela é gerada pela movimentação dos elétrons que acontece quando materiais diferentes que estão em contato íntimo são separados. Quando dois materiais bons condutores elétricos estão em contato e são separados, a maioria dos elétrons em excesso de um condutor voltará para o outro, antes da separação ser realizada por completo.

No entanto, se um ou ambos materiais forem isolantes elétricos, os elétrons em excesso em um deles não voltam para o outro antes da separação, tornando-se, assim, carregado.

De fato, a carga estática é devida a uma deficiência ou a um excesso de elétrons.

Uma superfície que possua uma diferença de um elétron a cada 100.0 átomos está muito carregada!

A tensão resultante está relacionada com a quantidade de carga depositada no corpo e com a capacitância desse corpo em relação à sua vizinhança, sendo expressa por U = Q / C, onde:

U=tensão (volts); Q =carga (coulombs); C = capacitância (far ads).

Essa tensão, em alguns casos, pode atingir milhares de volts, provocando uma descarga entre o corpo energizado e outro qualquer.

Muitos problemas de eletricidade estática podem ser resolvidos pela ligação equipotencial de várias partes dos equipamentos e a ligação à terra de todo o sistema. A ligação equipotencial minimiza a tensão entre equipamentos, prevenindo descargas entre eles.

O aterramento minimiza a diferença de potencial entre o objeto e o terra. Essas ligações podem ser feitas por condutores nus ou isolados, utilizando-se o sistema de aterramento único da edificação.

Deve-se salientar que o aterramento não é a solução única para todos os problemas de eletricidade estática como, por exemplo, no processamento de materiais isolantes (papel, roupas, borrachas) ou de líquidos pouco condutivos (refino de petróleo).

Nesses casos, a eletricidade não pode ser removida pelo aterramento ou equipotencialidade e devem ser adotados outros métodos de controle (por exemplo: ionização, umidificação, etc.).

Potencial de terra Plano de referência ”Quieto“

Figura 6

4.6 - Equipamentos eletrônicos

Especificamente para os sistemas eletrônicos, o aterramento deve fornecer um plano de referência quieto, sem perturbações, de tal modo que eles possam operar satisfatoriamente tanto em altas quanto em baixas freqüências.

5.1 - Tensão de contato

É a tensão que pode aparecer acidentalmente, quando da falha de isolação, entre duas partes simultaneamente acessíveis.

5.2 - Tensão de toque

Se uma pessoa toca um equipamento sujeito a uma tensão de contato, pode ser estabelecida uma tensão entre mãos é pés, chamada de tensão de toque.

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