Esquemas elétricos de aterramento

60O Setor Elétrico / Junho de 2010

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Sérgio Henrique Lopes Cabral*

Capítulo VI

Esquemas elétricos de aterramento: análise comparativa de funcionalidades

Açõesquegarantamumamaiorsegurançaparaoempregadonoseuambientedetrabalhotêmse

popularizadonosúltimosdezanos.Naáreadeeletricidade,esseprocessotemacontecido,sobretudo,apósa

publicaçãodasegundaversãodaNormaRegulamentadoranº10,em2004,aNR10,quedispõesobremedidas

decontroleesistemaspreventivosaseremimplantadosparagarantirasegurançaeasaúdedotrabalhadorem

instalaçõeseserviçosdeeletricidade.

Considerandoarelevânciadotema,desde2003,éorganizadonoPaísoSeminárioInternacional

daEngenhariaElétricanaSegurançadoTrabalho(ElectricalSafetyWorkshop),oESWBrasil,ondesão

apresentadostrabalhosdesenvolvidossobreoassuntoporprofissionaisepesquisadoresdaárea.Osartigosque

compõeessesfascículosde“Segurançadotrabalhoemeletricidade”foramselecionadosdentreostrabalhos

apresentadosnoúltimoESW,realizadoentreosdias22e24desetembrode2009emBlumenau(SC).

Umadasquestõesabordadasfoiosesquemaselétricosdeaterramento.Issoporqueumsistemade

aterramentoelétricofuncionaléfundamentalnaqualidadedaenergiaelétricadetodaequalquerinstalação.

Entretanto,emdiversasinstalações,emqueérequeridaaltaqualidadedaenergia,aindaseverificamdiversos

equívocosnousodoaterramentoelétrico,porexemplo,ousodeaterramentoelétricoisolado,querepresenta

umclaroperigodevidaparaosusuáriosdainstalaçãoequetambémcolocaemriscoosequipamentos.

Embora com certas restrições inseridas nas

últimas revisões, o fato é que a ABNT NBR 5410

prevêousodediversostiposdeaterramento,gerando

possibilidade de confusão por parte dos projetistas.

Comoumaspecto interessante,algunsdosesquemas

previstospelanormasão,porexemplo,proibidosnos

EstadosUnidos.Há,portanto,umlongocaminhoaté

que se consiga esclarecer quais problemas esse tipo

deesquemarepresenta.Esse trabalhovisadebateras

melhorespráticasdeesquemas.

Esquemas elétricos previstos pela ABNT NBR 5410

Segundoanormabrasileiradeinstalaçõeselétricas

debaixatensão,aABNTNBR5410,naclassificação

dos esquemas de aterramento é utilizada a seguinte

simbologia:

Primeira letra – Situaçãodaalimentaçãoemrelaçãoàterra:

T=Umpontodiretamenteaterrado;

I=Isoladadaterra;

Segunda letra – Situação das massas da instalação

elétricaemrelaçãoàterra:

T=Massasaterradascomterraprópria;

N = Massas ligadas diretamente ao ponto aterrado

da fonte (em corrente alternada, o ponto aterrado é

normalmenteopontoneutro);

I=Isoladadaterra;

Outras letras (eventuais) – Disposição do condutor

neutroedocondutordeproteção:

S=Funçõesdeneutroedeproteçãoasseguradaspor

condutoresdistintos(separados);

C=Funçõesdeneutroedeproteçãocomuns;


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Esquemas TN (TN-C e TN-S, principais)

De acordo com a nomenclatura anterior, os esquemas TN

possuemumpontodealimentaçãodiretamenteaterrado,sendoas

massasligadasaestepontopormeiodecondutoresdeproteção.

Nessesesquemas,todacorrentedefaltadireta“fase-massa”éuma

correntedecurto-circuito.

O esquema mais comumente usado, ainda hoje, é o TN-C,

mostrado na Figura 1, em que o condutor de neutro tem a função

adicionaldepropiciarpotencialdeterraaosequipamentos.Alémdessa,

suaprincipalfunçãoéoretornodecorrentedascargas.Emborasejaum

esquemaquetendeasersubstituídoalongoprazo,aindaécomumde

serencontrado,tornando-seumareferênciaparaacomparaçãocomos

demaisesquemas.Suasprincipaiscaracterísticassão:

1) Eminstalaçõeslongas(verticaisouhorizontais),opotencialdo

condutor de neutro difere do potencial zero (de terra, entrada)

porcontadapassagemdecorrentesdecargapelocondutor.Essa

elevaçãodepotencialpodeserprejudicialparaofuncionamento

deEquipamentosEletrônicosSensíveis(EES);

2)Orompimentoacidentaldoneutropossibilitaacidentescomoa

potencializaçãodemassasdeequipamentospelafase;

3) O esquema induz à prática de se adaptar o fio de terra de

equipamentos ao pino de tomada-macho que vai ao neutro da

tomada-fêmea.O perigo de energizar amassa do equipamento,

porinversãodatomada,éeminente;

4) Supostamente,oscustossãoreduzidos,devidoanãoutilização

deumcondutorsomenteparaaterrarasmassas(condutordeterra

ouPE,doinglêsProtectiveEarth).

5) Equipamentos ruidosos inseremno condutor de neutro ruídos

quevãoatingirequipamentossensíveis.

Figura 1 – Esquema TN-C (o condutor de neutro serve para aterrar as massas dos equipamentos)

Porsuavez,umesquemamaiscorreto,noqualsedistinguem

as funções de aterramento e de retorno de corrente, é oTN-S.

Neste,ocondutorneutroeocondutordeterra(oudeproteção)são

distintos,talcomomostradonaFigura2.


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Figura 2 – Esquema TN-S (o condutor de neutro serve para apenas para retorno de corrente)

Emboranãohajacorrentedecarga (retorno)circulandopelo

condutordeterra,aelevaçãodeseupotencialtambémocorreainda

queemmenorgrau.Basicamenteissoécausadopeloacoplamento

eletromagnético, indutivo e capacitivo, devido à distância

(relativamentecurta)entrecondutoresdefaseedeneutro,talcomo

mostradonaFigura3.Essefatotambémprovocaa“contaminação”

docondutordeterraporruídos.

Figura 3 – Esquema TN-S (acoplamento capacitivo e indutivo, causando elevação de potencial do condutor de terra)

A soluçãoparaa situaçãoconsisteematerrarocondutorde

terraemváriospontos, talcomoesquematicamentemostradona

Figura4.Assim,forma-se,então,umsistemadeaterramentoúnico.

Emconstruçõesverticais,essespontosdeaterramentopodemser

ferragensestruturais,porexemplo.

Figura 4 – Esquema TN-S (aterramento do condutor de terra em vários pontos, formando um sistema de aterramento único)

É importante observar que cada equipamento deve ter sua

massaligadaaesseaterramentoúnicoemsomenteumponto,para

evitaracirculaçãodecorrentesespúriasemsuamassa.

Esquema TT e outros

Finalmente, trataremos do esquema TT. Além desses, é

importantecitarqueexisteoutrosesquemas,comooIT,quetem

aplicaçõesparticulares,taiscomohospitais;eoTN-C-S,queéum

mistodoTN-ScomoTN-C.

NoesquemaTT,entretanto,umaterramentoemseparado(ou

isolado)éutilizadosomenteparaaterraramassametálicadecada

umdosequipamentos,talcomomostradonaFigura5.

Figura 5 – Esquema TT (cada equipamento tem sua massa ligada a um aterramento isolado)

Histórico Por volta dos anos 1960, nos Estados Unidos, com início do

aumento do uso ostensivo de equipamentos eletrônicos sensíveis,

haviadesconfiançasfundamentadasquantoàpossibilidadedeusodo

aterramentogeraldainstalaçãoparaaterraramassaouacarcaçadesses

equipamentos.Afinal, o aterramento geral estava (e ainda hoje está)

sujeitoadiversasincidênciasdesurtos,demanobraeatmosféricos,ede

ruídosespúriosoriundosdeequipamentoscadavezmaispotentes.

Assim,osequipamentossensíveisdeveriamteramassaouacarcaça

ligadaaumaterramentoexclusivo,isolado,enãomaisnoaterramento

geral, em que também estaria ligado ao neutro da rede, tido como

ruidoso.

Seguiu-se um período de um sem-número de defeitos nos

equipamentos ligados em aterramento em separado, principalmente

devido a trovoadas. Em significativo número, houve também relatos

dechoqueselétricosedeexistênciasdeperdas(fugadecorrente)nas

instalações.

Após uma série de análises cuidadosas a respeito do problema,

nos EstadosUnidos, verificou-se anecessidadede correçõesdouso

de todososesquemasdeaterramento,culminandocomaproibição

deaterramentoseminentementeisolados(TT)edeusodoneutropara

aterramentodemassas(TN-C)naquelepaís.Portanto,oEsquemaTN-S

éorecomendado.

NoBrasil,porsuavez,emboraanormaNBR5410tenharestritoo


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Figura 6 – Esquema TT sob falta

Figura 7 – Esquema geral do experimento de comprovação do desempenho do esquema TT sob falta

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e usodeesquemasquenãosejamoTN-S,muitasinstalaçõesaindanão

atendemaosmínimosrequisitosdesegurança.Ouseja,vive-seaindana

épocadequeimadeequipamentos,representandosignificativoscustos

demanutenção,exposiçãodeusuáriosachoqueselétricose,também,

possibilitandoaexistênciadeperdassignificativasnainstalação,com

eminenteprejuízo.

Para piorar esse quadro, não é difícil encontrar instalações que

apresentemdiversosdosesquemasdeaterramentoemconvívio,ainda

quesejamincompatíveis.Dessaforma,pretende-sequeestetrabalho

contribuaparaumaculturadeutilizaçãocorretadeesquemaselétricos,

que, por consequência, garante maior segurança às pessoas que

precisamoperarequipamentoselétricos.

Análise de desempenho do esquema TT em faltas

Para demonstrar alguns dos problemas advindos do uso do

esquemaTT,considereocircuitoequivalenteaoesquemadaFigura5,

emqueoequipamentotemumaterramentoexclusivoparasuamassa,

dito isolado. Considere ainda que é bastante comum a elaboração

desse aterramento usando-se algumas hastes comerciais, podendo a

resistênciaelétricaatingirvalordaordemde30W.

Entretanto,éimportanteobservarqueparaoleigo,crê-sequehá

umaconexãoelétricaperfeitaderesistênciaelétricanula.Porsuavez,

considereovalordaresistênciaelétricadoaterramentodeneutroda

instalaçãonessamesmaordem,poisasconcessionáriasrecomendam

valoresde10Wa25W.

Finalmente,considereque,acidentalmente,dentrodoequipamento

umadasfasestenhacontatoelétricodebaixaimpedânciaparaamassa

doequipamento.AFigura6mostraumcircuitoelétricorepresentativo

dasituação,ondeseinsereoelementousuáriodoequipamento,sobre

osolo.Afasecomfaltaé,parafinsrepresentativos,aqueestáindicada

pelaletraF.

O usuário que está sobre o solo, em posição distante do

aterramento isolado, é considerado como se estivesse sobre um

planoequipotencialuv,queestánomesmopotencialdex.Este

pontox,porsuavez,representaospontosafastadosdoaterramento

doneutroedoaterramentoisolado.Addpdechoqueelétricono

usuárioserá:

SendoRTTaresistênciaelétricadoaterramentoisoladoeITa

correntedefalta,dadapor:

EmqueVfNéatensãofase-neutroeRNaresistênciaelétricado

aterramentodoneutro.Porquestõesdepraticidade,asimpedâncias

dosalimentadoreseinternasaostransformadoressãodesprezadas.

Tambémconsidera-sequeousuáriotenhaumaresistênciaelétrica

muito maior que RTT. Considerando os valores de RN e RTT,

anteriormentecitados,bemcomoVfN=220V,obtém-seVchoque por

voltade120V.Essevalor,comum,demonstraque:

1) O usuário está exposto a uma forma sustentada de choque

elétrico,podendo falecer,umavezqueovalordacorrente total

drenada não representa sobrecorrente, tornando-se impossível a

atuaçãodedisjuntorescomunsparaeliminarodefeito;

2)Mesmonãohavendocontatodeumusuário,odrenodecorrente

representaumaperdasignificativa.Nocaso,umaperdanaordem

de1000Wcomevidentecustoparaoproprietáriosemqueseja

perceptívelpelorelativobaixoníveldecorrente;

3)Ocondutordeneutro,quecontinuaaservirainstalação,estádeslocado

dopotencialdosdemaisusuáriosemΔV=RN x IT =100V,oquesignifica

queoconvíviodessaformadeaterramentocomaquelasqueseutilizam

dopotencialdeneutroparaacarcaça,TN-C,porexemplo,representa

considerávelperigo.

Comprovação experimental Comoobjetivodecomprovarasituaçãoanteriormenteanalisada

no plano teórico, foi realizadono laboratório de eletrotécnica da

UniversidadedeBlumenau(FURB)oseguinteexperimento.

Uma haste metálicaX de 50 cm foi cravada em 40 cm no

solo do pátio a uma distância de dois metros do laboratório,

obtendo-se uma resistência elétrica de cerca de 220W,medida

com equipamento para esse fim. Uma outra haste metálica Y,

idênticaàX,foicravadaempontodistantedezmetrosdaprimeira

haste,namesmaprofundidade.

AFigura7mostraoesquemageraldoexperimento.


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Porsuavez,aFigura8mostraasimulaçãodafaltadafaseFpara

aterra.Nessacondição,ahasteXrepresentaoaterramentoisolado

doesquemaTT,enquantoahasteYrepresentaopotencialdosolo

emregiõesafastadasdoaterramentoX,comaintençãoqueahaste

YrepresenteopotencialdeumusuáriodoexemplodaFigura6.

Figura 8 – Circuito de simulação de falta a terra no esquema TT

Pormeiodeumautotransformadorvariável,a tensãode faltada

fase F para a hasteX foi elevada gradualmente, verificando-se uma

estabilizaçãodacorrentemedidaemtornode1,0Aparaaaplicação

diretadafaseem220V.Nessacondição,atensãomedidaentreahaste

Y(referência)eoneutrodainstalaçãoV1foidecercade5V,enquanto

atensãoentrehastesfoidecercade217V.

Comessesvalores,atendo-seaoesquemadaFigura8econsiderando

quenainstalaçãonãoháoutrospontosdecontatocomaterra,paraas

faseseneutro,verifica-seque:

O valor da resistência de neutro RN atende aos padrões da

concessionária, mas este é o único resultado benéfico com o

experimento,poistambémseverificaque:

1)Opotencialdechoqueelétriconessasituação,que,paraumusuário,

épraticamenteodefase;

2)Apotênciadesperdiçadaédecercade220W,semquehajasua

detecçãoporsubcorrente,queéaformamaisdifundidadeproteção;

3)Opotencialdeneutrodetodoocampusfoielevadoem5V,oque

poderepresentarperigoparaofuncionamentodosdemaisequipamentos

sensíveisexistentes.

Conclusão Como conclusão, nota-se que a origemdo uso do esquemaTT

estánalegítimanecessidadedequeareferênciadepotencialdeterra

fosseobtidadeumpontosemcontatocomoterra“sujoeruidoso”da

instalaçãoemgeral(entrada).Naverdade,aideiadeumaterramento

extranãoédetodoruim.Masrequerumasimplesadaptaçãoe,com

isso,consegue-seumamudançasignificativa.

Por exemplo, para que esse sistema se transforme no esquema

TN-S,bastaqueumcondutordeterra,conectadoaoneutrosomente

naentradadaalimentação,interliguetodososaterramentosqueantes

estavam isolados. Isso faz alcançar o pretendido objetivo de que o

condutorde terradeva ser aterrado tantas vezesquantopossível, talV1 ≅ 5V = x 220VRN

RN + RTT

RT ≅ 200 Ω RN ≅ 5 Ω


Apoio

Segurança do trabalho em eletricidade

*SéRgiO HENRiquE LOPES CABRAL é engenheiro eletricista pela universidade

Federal Fluminense (uFF), mestre em engenharia elétrica (alta tensão e

equipamentos) pelo instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa

de Engenharia, da universidade Federal do Rio de Janeiro (Coppe/uFRJ), e doutor

em engenharia elétrica (compatibilidade eletromagnética) pela universidade

Federal de Santa Catarina (uFSC). é professor do Departamento de Engenharia

Elétrica e Telecomunicações da universidade de Blumenau (DEET/FuRB) desde

1994. Ministra a disciplina de aterramento elétrico (para o curso de graduação de

engenharia elétrica) na FuRB, além de cursos e palestras.Figura 9 – Surgimento de ddp de surto no interior do equipamento devido ao uso de aterramento externo

Figura 10 – Ddp de surto nula no interior do equipamento graças ao uso do esquema TN-S

comomostradonaFigura4.

Oexperimentofoirealizadocomcuidadodeseevitaroexcessivo

deslocamento de neutro, o que foi possível pelo usode resistências

elétricasaltasenvolvidas.Nocaso,cercade220WparaahasteX.A

resistênciaelétricadahasteYnãoteminfluêncianoexperimento.Não

obstante,nãoérarosedepararcomsituaçõesemquearesistênciado

aterramentoisoladoalcancevaloresbemmenores,daordemdealguns

ohms,oqueimplicamenorperigodechoqueelétricoparaousuário.

Porém,émaiorapotênciadesperdiçada,bemcomoéaelevaçãodo

potencialdeneutro,oquepassaarepresentarperigodechoqueelétrico

paraosdemaisusuários,alémdeperigodequeimadosequipamentos

dainstalação.

Até esse ponto do trabalho, foram mostradas características de

desempenhodosesquemaselétricosnascondiçõesdefalhesemregime.

Entretanto, suas performances são significativamente importantes em

umaformadesolicitaçãomuitofrequente,queéquantoàincidência

dedescargasatmosféricas.Nestasituação,érelativamentefácilverificar

queoesquemaTTtemfracodesempenho,poisinerentementefazainda

surgirperigosasdiferençasdepotencial.

OexemplodaFigura9permitedemonstrarcomooesquemaTT

é consideravelmente vulneráveldiantedapresençadepotenciaisde

surtosatmosféricosquesepropagamporaçãodiretaouinduzidade

descargas.Considereentãoqueumsurto sepropagapelo soloapós

aincidênciadeumraioealcanceoaterramentoextradainstalação.

Àvelocidadeda luz,opotencialdessesepropaganoequipamento,

energizandotodaasuamassa.

Entretanto, internamente ao equipamento, opotencial doneutro

aindasemantémigualazero,poisapropagaçãoaindanãooatingiu,

devendodemoraralgunsmilésimosdesegundo,masestetempoéo

suficienteparagarantirumaconsiderávelddpdesenvolvidainternamento

noequipamento,queinvariavelmentecausarádescargaelétrica,falha

doisolamentointernoe,consequente,queimadoequipamento.

Por exemplo, é possível considerar o potencial do aterramento

do neutro como sendo nulo. A diferença de potencial entre neutro

e aterramento isolado, que decorre de seus distanciamentos e da

propagaçãodesurtosàvelocidadedaluz(300metrospormilionésimo

de segundo), é subitamente trazida para o interior do equipamento,

representandoconsiderávelpossibilidadedequeimadesse.Vê-se,então,

porqueébastantecomumaqueimadeequipamentoseminstalaçõesque

fazemusodeaterramentoelétricoisolado,emdiasdetrovoadas.

Porsuavez,paraaanálisededefeitosemfrequênciaindustrial,asolução

estáeminicialmenteunirosaterramentosformandoumúnicosistemadesses,

caracterizandooesquemaTN-S,talcomofoimostradonaFigura4.

NaFigura10,émostradooqueocorrecomoequipamentoapartir

deumamesmasolicitaçãoporcontadedescargaatmosférica.Coma

conexãodamassadoequipamentoaoaterramentogeral,viacondutor

de terra, emumúnico ponto, a incidência da descarga ainda pode

causar a elevação do potencial damassa do equipamento, embora

ocondutordeterravenhaagarantiropotencialdezeroàmassado

equipamento,masficaclaroquenãoháddpinternaaoequipamento.

Porisso,éimportanteutilizardispositivosdeproteçãocontrasurtos,

os DPS, representado por varistores e centelhadores devidamente

coordenadosparaprotegeroequipamentoe,principalmente,aspessoas

queutilizamosequipamentos.

Nesseponto,surgemaisumapreocupaçãoquantoàproteçãode

equipamentoscontrasurtos:aculturapoucodifundidadousocorreto

dos protetores. Como consequência, muitos produtos comerciais

prometem proteção além de possibilidades tecnicamente razoáveis.

Emboraesseassuntosejaamploemereçaumartigoespecialparaisso,

épossíveldeixardoisconselhosimportantesparaosinteressadosem

utilizarosDPScorretamente:

1)Todo DPS tem vida útil. Mais cedo ou mais tarde ele virá a se

deteriorar.Porisso,umDPStemquesinalizaraosusuários(atravésde

leds,porexemplo)essacondição;

2)ODPStrabalhacoordenado.Existemgruposquealternamrapideze

robustez(oucapacidadededesviaraenergiadosurtoàterra).Porisso

suaaplicaçãocorretajánãogaranteproteçãoabsoluta,comresultados

aindapioresapartirdaaplicaçãosemcritérios.

Referências1 – IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power

Systems / Institute of Electrical and Electronics Engineers. New York : IEEE, 1992. 234p.

: il. (IEEE Std 142 1991);

2 - Aterramento Elétrico – Kindermann, G e Campagnolo, J. M. – Ed. Sagra-dc Luzzatto.

Porto Alegre, 1992;

3 - Cabral, S. H. L. ; MEYER, Luiz Henrique ; MUSTAFA, T. I. A. H. . Problemas de

Qualidade de Energia Elétrica Decorrentes do Uso de Aterramentos Elétricos Isolados

- Esquema TT, NBR 5410. In: III Seminário Brasileiro de Qualidade de Energia Elétrica,

1999, Brasília. III SBQEE, 1999. p. 391-395.

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