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LABORATÓRIO DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS

ENSAIO No 1 – INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO E

MEDIÇÃO DE RESISTÊNCIA DE ATERRAMENTO

1 – OBJETIVO

Este procedimento experimental tem o intuito de apresentar ao aluno o laboratório de instalações elétricas e seus equipamentos, que serão utilizados ao longo do semestre, as instalações elétricas do SG-11, além de permitir ao aluno a prática na medição da resistência do sistema de aterramento do SG-11. 1.1 – PREPARAÇÃO PARA O ENSAIO Para se preparar para a realização do ensaio, faz-se necessário responder ao teste realizado pelo ambiente Aprender. Com esse intuito, os alunos deverão estudar este roteiro, a NBR 5419 e a seção 4.2.2 da NBR 5410.

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2 – INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Na primeira parte desse experimento, deve-se saber identificar os diversos equipamentos

e conhecer suas funções. O quadro de distribuição é um equipamento elétrico destinado a receber energia elétrica

de uma ou mais fontes de alimentação e distribuí-la a quadros terminais, de onde ela será distribuída para os circuitos terminais. Nele, pode-se também fazer a leitura da tensão da rede e da corrente consumida no momento.

Nas figuras abaixo, vê-se um exemplo de quadro de distribuição.

Figura 1 - Quadro de distribuição por

dentro. Figura 2 - Medição da tensão e

corrente do quadro de distribuição. As eletrocalhas e os eletrodutos, por sua vez, são responsáveis por abrigar os circuitos

desde o quadro de distribuição ou geral até os pontos terminais do circuito. Na Figura 3, vê-se uma eletrocalha perfurada sem tampa e um eletroduto de PVC.

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Figura 3 - Eletrocalha e eletroduto.

Os shafts são espaços determinados utilizados para a passagem de tubulações aparentes

de hidráulica, eletricidade e rede, entre outras, de um pavimento para outros. Nas construções mais novas, já se costuma prever a existência de shafts.

A Figura 4 mostra um shaft.

Figura 4 - Shaft.

Dentro do laboratório, serão utilizadas bancadas didáticas. Nessas bancadas, há 6 trilhos

DIN 35 mm, para o posicionamento de diversos equipamentos, tais como disjuntores, contatores,

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e relés. Na parte superior delas, estão disponíveis os bornes do motor (neste caso, 1, 2, 3, 4, 5 e 6) que se encontra na parte de baixo da bancada. Há bornes com as três fases (R, S e T), neutro e proteção, além de chaves seccionadoras em que se ligam ou desligam as bancadas e tomadas tripolares, 2P+PE, no padrão antigo.

Ao se ligar a bancada, as três lâmpadas vermelhas na parte superior se acenderão, indicando que as fases R, S e T estão energizadas.

A Figura 5 mostra parte de uma das bancadas.

Figura 5 - Visão frontal de uma bancada.

Na Figura 6, pode-se verificar como é a bancada por dentro. Verifica-se a sua simplicidade e a presença de um disjuntor tripolar, utilizado para proteção do circuito que a alimenta.

Figura 6 - Interior da bancada.

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No caso de algum acidente durante o experimento, deve-se acionar o botão de segurança, que irá desenergizar alguns contatores que, por sua vez, desligarão simultaneamente todas as bancadas. Após acionado o botão de emergência, para se reenergizar a bancada, deve-se destravar manualmente o botão e religar os contatores desejados (localizados no quadro ao lado do quadro geral da sala).

Figura 7 - Botão de segurança.

As figuras a seguir (8 e 9) mostram instrumentos que podem ser utilizados para a medição

da resistência de um aterramento, assunto da segunda parte deste experimento.

Figura 8 – Instrumento 1.

Figura 9 – Instrumento 2.

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3 – MEDIÇÃO DE RESISTÊNCIA DE ATERRAMENTO 3.1 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS

3.1.1. Considerações iniciais

Aterrar um equipamento elétrico, ou um componente de determinado sistema elétrico, consiste em ligá-lo eletricamente à terra por meio de dispositivos apropriados.

As finalidades de um sistema de aterramento são: • proporcionar uma baixa resistência de aterramento; • manter valores de tensão carcaça-terra e estrutura-terra dentro do nível de segurança

para o pessoal, no caso de as partes metálicas da carcaça (ou estrutura) serem acidentalmente energizadas;

• proporcionar um caminho de escoamento para terra das descargas atmosféricas ou sobretensões devidas a manobras de equipamentos;

• permitir que os equipamentos de proteção isolem rapidamente as falhas à terra; • diminuir os valores de tensão fase-terra do sistema, fixando a tensão de isolação a

valores determinados; • proporcionar o escoamento para a terra, da eletricidade estática gerada por equipamentos

ou por indução, evitando faiscamento.

Em consequência, na prática, os sistemas de aterramento são classificados em dois tipos: • aterramento de segurança; • aterramento de serviço.

Os aterramentos de segurança objetivam evitar acidentes com o pessoal, no caso de as

partes aterradas serem energizadas acidentalmente. É o caso do aterramento da carcaça dos motores elétricos, do aterramento das partes metálicas não-energizadas das instalações elétricas etc.

Os aterramentos de serviço têm por objetivo a melhoria dos serviços elétricos. É o caso do aterramento do ponto neutro dos transformadores trifásicos ligados em estrela, do aterramento do fio neutro das redes de distribuição de energia elétrica etc.

Basicamente, um aterramento é constituído pelos elementos mostrados na Figura 10, descritos a seguir:

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Figura 10

a) Eletrodo de aterramento - É um condutor metálico, ou conjunto de condutores

metálicos, cravado na terra. Pode ser: um tubo de ferro galvanizado de 3 m de comprimento e 3/4” de diâmetro; uma cantoneira de ferro galvanizado de 3 m de comprimento; uma haste tipo copperweld, constituída por varão de aço recoberto por camada de cobre de cerca de 1 mm de espessura, disponível em comprimento de 2,40 m e 3 m, e em diâmetros de ¾” e 5/8”; uma chapa de cobre; um cano d’água metálico.

b) Condutor elétrico – Executa a ligação entre o equipamento e o eletrodo de aterramento. c) Terra – Envolvente ao eletrodo de aterramento.

A fim de desempenhar satisfatoriamente a sua finalidade, o aterramento deve apresentar

baixa resistência de terra, possibilitando que uma corrente elétrica que a ele chegue possa facilmente se escoar para terra circunvizinha. Assim, a resistência de terra é a oposição oferecida à passagem da corrente elétrica, do eletrodo de aterramento para terra circunvizinha. Essa resistência de terra têm três componentes fundamentais:

1) a resistência elétrica do próprio eletrodo de aterramento; 2) a resistência de contato entre o eletrodo de aterramento e a terra que o envolve; 3) a resistência da terra circunvizinha, a qual depende da natureza, da temperatura e do

estado do solo.

Tanto mais eficiente será o aterramento quanto menor for sua resistência de terra. É usual a seguinte classificação para valores de resistência de terra, em termos absolutos:

a) excelentes – aterramento com resistência inferior a 5 ohms; b) bons – aterramentos com resistência compreendida entre 5 e 15 ohms; c) razoáveis – aterramento com resistência entre 15 e 30 ohms; d) condenáveis – aterramentos com resistência superior a 30 ohms.

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Em instalações de grande porte, centrais elétricas, subestações etc, é desejável que o sistema de aterramento tenha resistência abaixo de 5 ohms. Em redes de distribuição de energia elétrica é recomendável o valor de 10 ohms para resistência de terra, sendo aceitável o limite máximo de 25 ohms.

A determinação do valor da resistência de terra é feita por medição. A primeira medição deve ser feita logo após a execução do aterramento. Outras medições devem ser feitas periodicamente, para acompanhamento do desempenho do aterramento ao longo do tempo. 3.1.2. Curva de distribuição dos potenciais entre d ois eletrodos

Considera-se, na Figura 11, a seguir, dois eletrodos de aterramento, X e B, separados entre si cerca de 20 m. A haste C é um eletrodo auxiliar, que pode ser deslocado a partir de X, ao longo da reta XB, de metro em metro. Em cada ponto que a haste C é fincada, à distância d de X, faz-se a correspondente leitura do voltímetro.

Figura 11

Figura 12

A variação dos potenciais entre dois eletrodos X e B é mostrada pela curva da Figura 12,

obtida tomando-se as distancias d no eixo horizontal e as correspondentes leituras do voltímetro

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no eixo vertical. A reta D’F’, paralela ao eixo horizontal, corresponde à região DF, de potencial constante. Ali, as leituras de V não variam. A reta de D’F’ é chamada de patamar e se situa em torno do ponto médio entre os dois eletrodos.

Para fazer passar a corrente I do eletrodo de aterramento X para a terra circunvizinha, foi necessário aplicar ddp VXH. Conclui-se, pois, que a resistência de terra RX do aterramento X será:

Observar que Portanto,

Em um terreno homogêneo ter-se-ia VXH igual a VGM e em consequência a curva da Figura 12 seria simétrica em relação à horizontal que contém D’F’. Na realidade, o solo é um elemento totalmente heterogêneo e sua resistência varia conforme o material de que é composto, a profundidade de suas camadas e a idade de sua formação geológica. 3.1.3. Melhoria da resistência de terra

Quando a medição indicar valor elevado da resistência de terra, pode-se modificar o aterramento para reduzir aquele valor. Para isso, adota-se um ou vários dos seguintes procedimentos:

a) aprofundamento das hastes de aterramento – consiste em emendar as hastes de aterramento, à medida que vão sendo cravadas. É bastante usual o emprego de haste do tipo copperweld, providas de roscas na s extremidades e emendadas por luvas apropriadas;

b) aumento da quantidade de hastes em paralelo – as hastes são cravadas no solo e interligadas por meio de cobre nu (n. 4/0 AWG ou n. 2/0 AWG), dispostos cerca de 50 a 60 cm abaixo do nível do solo. O conjunto é chamado “malha de aterramento” está mostrado na Figura 13 (em planta e em corte). Dentro da malha, o afastamento entre duas hastes deve ser, no mínimo, igual à soma de seus comprimentos. Assim, se utilizarmos hastes de 3 m de comprimento, o afastamento deve ser, no mínimo, igual a 6 m.

c) tratamento do solo – consiste em melhorar as condições do aterramento, conforme se vê nas Figuras 14a e 14b. As substancias condutores mais empregadas (Figura 14a) são carvão vegetal, sucata de cobre, sucata de ferro, pó metálico. Os sais mais utilizados no tratamento químico da terra circunvizinha ao eletrodo (Figura 14b) são o cloreto de sódio, cloreto de cálcio, sulfato de cobre, sulfato de magnésio, normalmente colocados à distância do eletrodo para evitar corrosão. Ocorre sua diluição e infiltração no terreno por intermédio da chuva ou de água posta para este fim.

Existem no mercado produtos especiais para tratamento químico do solo. São constituídos pela mistura de diversos sais e recebem a denominação genérica de GEL. Proporcionam a obtenção de resistência de aterramento reduzida e constante no tempo. Isso se deve à capacidade higroscópica do GEL, ou seja, sua capacidade de manter determinado grau de umidade no solo.

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Figura 13

d) aumento da área própria das haste de aterramento – seria, por exemplo, o caso de substituir uma haste de ½” de diâmetro por outra de 1”, de mesmo comprimento. Este procedimento proporciona pequena redução da resistência de aterramento, pelo que é raramente adotado.

Figuras 14a e 14b

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3.1.4 Medida de resistência de terra

A medida de resistência de terra, RX, fundamenta-se na curva de distribuição de potenciais entre dois eletrodos de aterramento, conforme foi abordado anteriormente. Temos, basicamente, um ponto na terra onde se “injeta” corrente (terra que se deseja medir) e um ponto do qual se “retira” a corrente injetada” (eletrodo auxiliar). A corrente injetada circulará pelas camadas da terra e provocará, na superfície da terra, o aparecimento de tensões que são resultantes do produto resistência de terra até o ponto de medição vezes corrente injetada (lei de Ohm).

O presente ensaio faz uso do Earth Tester (medidor de terra) YOKOGAWA, tipo 3235 (L-91), equipado com quatro pilhas de 1,5 volts cada, do tipo usado em lanternas. A medição se efetua por intermédio de potenciômetro de corrente alternada, sendo, a tensão alternada proporcionada por inversor transistorizado, à freqüência de 500 Hz.

O uso de corrente alternada evita a polarização, a corrosão dos eletrodos e o surgimento de tensões residuais. Corrente contínua, quando aplicada a solos de características capacitivas (solos rochosos com fendas, solos com cavernas etc), carrega eletricamente o solo e a tensão residual resultante irá interferir nas medidas subsequentes. 3.1.5. Recomendações importantes

1) As medições devem ser efetuadas em dia no qual o solo se apresente seco, situação esta que é a mais desfavorável para o aterramento.

2) As instalações devem estar sempre desenergizadas por ocasião da medição do seu aterramento, tanto para evitar interferências nas medições como para segurança do operador. As interferências podem provir eventuais correntes de fuga circulantes pelo solo. O risco para o operador pode ocorrer no instante da medição, caso ocorra falha na instalação protegida pelo sistema de aterramento e uma corrente intensa circule deste sistema para a terra circunvizinha. Uma parte desta corrente poderá circular pelo condutor que interliga o medidor de terra ao aterramento, com perigo para o operador e(ou) instrumento.

3) Os eletrodos deverão estar firmemente cravados no solo, proporcionando bom contato com a terra.

4) Condutores, conectores e extremidades externas dos eletrodos devem estar em bom estado de conservação e de limpeza. O uso de lixa de madeira é recomendado para retirar toda a sujeira, graxa e /ou oxidação dos eletrodos.

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4 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL • Executar a montagem esquematizada na Figura 15, colocando o Earth Tester (medidor de terra) próximo ao eletrodo X, cuja resistência de aterramento se deseja medir. Os eletrodos auxiliares C e B devem ficar em linha reta com o eletrodo de aterramento X. O eletrodo C deve ser colocado no ponto médio da distância XB.

Figura 15

• Efetuar quatro medições, conforme indicação da Figura 16. As linhas pontilhadas da Figura 16 não representam ligações elétricas. Elas indicam a direção em que devem ser postos os eletrodos auxiliares.

Figura 16

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• Em cada medição, adotar o seguinte procedimento: 1. Colocar a chave seletora na posição B e apertar o botão. Se o ponteiro permanecer na

faixa azul, as pilhas estão satisfatórias. Caso contrário, providenciar sua substituição. 2. Colocar a chave seletora na posição V, sem pressionar o botão. Se a indicação for

maior que 10 volts, deve existir alguma conexão elétrica entre as hastes, as quais devem ser separadas. Se a indicação for bem menor que 10 volts, proceda à leitura.

3. Colocar a chave seletora na posição Ω. Pressionar o botão e balancear o galvanômetro tirando o dial. O valor da resistência de terra será lido na escala logarítmica.

4. Calcular a média aritmética dos quatros valores medidos. Ela será o valor da resistência de terra.

1ª Medição 2ª Medição 3ª Medição 4ª Medição Média

5 – RELATÓRIO Redija um texto predominantemente dissertativo (com extensão máxima de uma folha, formato A4, espaçamento 1,5 e fonte de tamanho 12), que aborde apenas o que foi visto neste ensaio, enfatizando, de modo justificado, o aspecto considerado mais significativo. O relatório deverá ser entregue impresso no início da aula do Ensaio 2.