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69 Ling. Acadêmica, Batatais, v. 6, n. 1, p. 69-100, jan./jun. 2016 O aterramento elétrico como forma de prevenção a sobretensões causadas por descargas atmosféricas Júlio Cesar BELLAN 1 Demétrio Tadeu CECCATTO 2 Deryck Ditteman MACARIO 3 Marco Donizete SGARBOSA 4 Resumo: Este trabalho visa reunir informações sobre como prevenir que as sobretensões provocadas por descargas atmosféricas atinjam os aparelhos ele- troeletrônicos instalados em instalações de baixa tensão, esclarecendo o papel fundamental exercido pelo aterramento elétrico. Serão apresentados conceitos advindos da pesquisa bibliográfica específica que orienta quanto às formas cons- trutivas do sistema, partindo da análise do solo, condutores e Dispositivos de Proteção contra Surto (DPS). Este artigo, assim como a grande parte dos autores, se baseia na norma brasileira regulamentadora NBR 5410. Para melhor caracte- rização dos DPS, foram utilizados catálogos e manuais dos fabricantes. Por meio da pesquisa bibliográfica, este trabalho buscou levantar problemas e mostrar que as soluções são compostas pelo conjunto de medidas descritas pela norma e pela correta instalação dos dispositivos protetores. Palavras-chave: Aterramento. Proteção. Descarga Atmosférica. Sobretensão. 1 Julio Cesar Bellan. Especialista em Proteção de Sistemas Elétricos de Potência pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Graduado em Engenharia Elétrica pela Faculdades Integradas Einstein. Professor do Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <jcbellan@gmail. com>. 2 Demétrio Tadeu Ceccatto. Mestre em Física Aplicada pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP), Campus de Rio Claro (SP). Licenciado em Matemática pela mesma instituição. Docente do Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <dtceccatto@ gmail.com>. 3 Deryck Ditteman Macario. Graduado em Engenharia Elétrica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <[email protected]>. 4 Marco Donizete Sgarbosa. Graduado em Engenharia Elétrica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <[email protected]>.

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O aterramento elétrico como forma de prevenção a sobretensões causadas por descargas atmosféricas

Júlio Cesar BELLAN1

Demétrio Tadeu CECCATTO2

Deryck Ditteman MACARIO3

Marco Donizete SGARBOSA4

Resumo: Este trabalho visa reunir informações sobre como prevenir que as sobretensões provocadas por descargas atmosféricas atinjam os aparelhos ele-troeletrônicos instalados em instalações de baixa tensão, esclarecendo o papel fundamental exercido pelo aterramento elétrico. Serão apresentados conceitos advindos da pesquisa bibliográfica específica que orienta quanto às formas cons-trutivas do sistema, partindo da análise do solo, condutores e Dispositivos de Proteção contra Surto (DPS). Este artigo, assim como a grande parte dos autores, se baseia na norma brasileira regulamentadora NBR 5410. Para melhor caracte-rização dos DPS, foram utilizados catálogos e manuais dos fabricantes. Por meio da pesquisa bibliográfica, este trabalho buscou levantar problemas e mostrar que as soluções são compostas pelo conjunto de medidas descritas pela norma e pela correta instalação dos dispositivos protetores.

Palavras-chave: Aterramento. Proteção. Descarga Atmosférica. Sobretensão.

1 Julio Cesar Bellan. Especialista em Proteção de Sistemas Elétricos de Potência pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Graduado em Engenharia Elétrica pela Faculdades Integradas Einstein. Professor do Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <[email protected]>.2 Demétrio Tadeu Ceccatto. Mestre em Física Aplicada pela Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho (UNESP), Campus de Rio Claro (SP). Licenciado em Matemática pela mesma instituição. Docente do Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <[email protected]>.3 Deryck Ditteman Macario. Graduado em Engenharia Elétrica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <[email protected]>.4 Marco Donizete Sgarbosa. Graduado em Engenharia Elétrica pelo Claretiano – Centro Universitário, polo de Rio Claro (SP). E-mail: <[email protected]>.

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Electrical grounding as a form of preventing overvoltage caused by atmospheric discharges

Júlio Cesar BELLANDemétrio Tadeu CECCATTODeryck Ditteman MACARIOMarco Donizete SGARBOSA

Abstract: This work aims at gathering information on how to prevent power surges caused by atmospheric discharges from reaching electronics devices ins-talled in low-voltage installations, clarifying the fundamental role played by the electrical grounding. Concepts arising from the specific literature that guides about the mounting positions of the system will be presented, starting from the soil analysis, conductors and surge protection devices (SPD). This article, like most authors, is based on the Brazilian regulatory norm NBR 5410. To better characterize the DPS, catalogs and manuals from the manufacturers were used. Through bibliographical research, this study sought to raise issues and show that solutions are composed by the set of measures described by the standard and the correct installation of protective devices.

Keywords: Grounding. Protection. Atmospheric Discharge. Overvoltage.

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1. INTRODUÇÃO

O uso da energia elétrica tornou-se indispensável para a ma-nutenção da vida como a conhecemos hoje. Este estudo tratará do uso da energia elétrica, recurso cada vez mais importante na vida das pessoas, pois, sem ele, não seria possível todo o desenvolvi-mento atingido pela sociedade. A interrupção do fornecimento de energia, tão necessária, acarreta uma série de prejuízos para a nossa existência, seja por comodidade ou necessidade; logo, torna-se ne-cessária a manutenção do seu fornecimento contínuo.

Interrupções no fornecimento e variações dos níveis de ten-são implicam em uma série de prejuízos que podem ser evitados. O aterramento elétrico é um fator determinante no funcionamento correto de disjuntores, fusíveis, estabilizadores de tensão, seguran-ça da rede e pessoas.

Nesta pesquisa, tratamos da aplicação como um elemento responsável pela dissipação da sobretensão causada por descargas atmosféricas. Será apresentado o levantamento da literatura exis-tente relacionada com esse assunto. Como, muitas vezes, a exis-tência de um bom aterramento não impede o funcionamento dos equipamentos, aquele acaba sendo ignorado, o que causa outros problemas ainda mais sérios.

O objetivo deste trabalho é fornecer subsídios para a confec-ção de um aterramento seguro e funcional, que atenda às necessi-dades do sistema de distribuição de energia elétrica, reduzindo os desligamentos não programados pela ocorrência de descargas at-mosféricas e sobretensões que atinjam o consumidor final em baixa tensão tanto nas indústrias como nas residências.

As pessoas estão envolvidas pela dependência de aparelhos eletroeletrônicos, pois, assim como em uma planta industrial ou em nossas residências, o nível de automação vem ocupando cada vez mais espaço na realização de atividades, como a execução mais rápida e eficiente de tarefas, segurança de dados ou patrimônio, contribuindo para o entretenimento e o lazer. Isso conduz para a de-pendência de um fornecimento contínuo e de qualidade dos níveis de tensão especificados para o bom funcionamento dos aparelhos.

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Um estudo mais aprofundado contribuirá para a formação do Engenheiro Eletricista, trazendo informações muito relevantes sobre um assunto de vital importância para o funcionamento do sistema elétrico e que, muitas vezes, não é tratado com a devida atenção, seja por falta de conhecimento técnico ou por uma falsa ideia de economia que se verifica, principalmente, nas instalações de interesse social.

Durante as tempestades ocorrem muitas descargas atmosféri-cas que, quando atingem a rede elétrica, interferem no fornecimen-to contínuo de energia elétrica, provocam sobretensões que danifi-cam aparelhos eletroeletrônicos sensíveis trazendo prejuízo.

Algumas das causas desse problema estão no fato de não se conhecer a importância do aterramento que, ausente em um siste-ma, contribui para uma instalação que, mesmo equipada com dis-positivos capazes de reduzir os efeitos das sobretensões, não atua a contento. Quando se dispõe de um condutor de aterramento na instalação, a falta de manutenção também contribui para aumentar esse problema, pois, com o tempo, as condições físicas do eletrodo de aterramento e do solo podem variar muito e somente uma verifi-cação periódica conseguirá apontar esse fato.

Recentemente, esse assunto ficou mais presente na vida dos brasileiros pela adoção do novo padrão de tomadas que, além de não deixar partes energizadas disponíveis ao toque acidental, in-cluiu o pino de aterramento, mas, infelizmente, não faltaram “solu-ções” para que esse benefício fosse inutilizado em favor da ligação de equipamentos novos em instalações antigas.

Também se buscou estudar como prevenir que a sobretensão oriunda de uma descarga atmosférica direta ou indireta na rede elé-trica danifique os aparelhos nela instalados. Um Sistema de Prote-ção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) (Figura 1) é construí-do como forma de proteção para edifícios e pessoas que estejam abrigadas nele, mas não protegerão os aparelhos eletroeletrônicos sensíveis.

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Figura 1. Elementos que compõem SPDA.

Fonte: Creder (2007, p. 258).

Muitos dos problemas que atingem o sistema elétrico, inter-ferindo na Qualidade de Energia Elétrica (QEE), estão relaciona-dos com o aterramento e condutores em geral. No Brasil, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) e as Concessionárias de Energia Elétrica estabelecem valores mínimos que devem ser seguidos para se obter um sistema que suporte de forma satisfatória os impactos das variações na QEE (harmônicas, transitórios e ruí-dos) nos equipamentos interligados à rede (TELÓ, 2007).

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No entanto, é comum encontrarmos instalação sem aterra-mento:

Na maioria das instalações elétricas, principalmente aque-las de interesse social, são simplesmente ignorados. O con-dutor de proteção que deve existir em todas as tomadas para aterramento das massas (partes metálicas de apare-lhos normalmente não energizados), bem como o dispo-sitivo DR, necessários para a proteção contra contatos in-diretos, não são previstos (CAVALIN; CERVELIN, 2011, p. 388).

As origens das correntes elétricas que podem fluir por um condutor de aterramento podem ser de várias naturezas: descar-gas atmosféricas, descargas eletrostáticas, filtros instalados na rede elétrica, supressores de surto, para-raios de linha e curtos- -circuitos para a terra (CREDER, 2013).

A descarga atmosférica representa um grande problema para as redes elétricas, pois trata-se de um fenômeno natural que não pode ser eliminado nem previsto. Sua incidência, seja direta ou in-direta na rede elétrica, provoca transientes de tensão que interferem no funcionamento normal do sistema elétrico.

“O transiente é um pulso de alta amplitude. É comum um transiente ultrapassar quatro ou cinco vezes o valor da tensão de pico de uma forma de onda, sendo, assim, perigoso. Um dos cau-sadores do transiente é a descarga atmosférica” (CAPELLI, 2013, p. 99).

Um raio não precisa atingir diretamente um cabo elétrico para que a sobretensão se propague pela instalação, basta que des-carregue próximo ao condutor elétrico para que os efeitos sejam percebidos, devido ao acoplamento capacitivo entre as nuvens e a linha (CAPELLI, 2013).

Uma das formas para que essa variação de tensão não atin-ja os equipamentos finais instalados em uma rede elétrica é a uti-lização de um Dispositivo de Proteção contra Surtos (DPS), que, segundo Cavalin e Cervelin (2011, p. 379), “[...] é um dispositivo de proteção contra sobretensões transitórias (surtos de tensão)

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anulando as descargas indiretas na rede elétrica causada por descargas atmosféricas”.

A norma NBR 5410 (ABNT-NBR 5410, 2004, p. 10) orien-ta sobre o cuidado com relação às sobretensões presentes na rede elétrica: “As pessoas, os animais e os bens devem ser protegidos contra as consequências prejudiciais de ocorrências que possam re-sultar em sobretensões, como faltas entre partes vivas de circuitos sob diferentes tensões, fenômenos atmosféricos e manobras”.

Para que o aterramento tenha um desempenho adequado, é necessário o conhecimento das características do solo da região onde o aterramento será executado, mediante medições específi-cas (o solo é estratificado em camadas horizontais com valores de resistividade elétrica diferentes). Após o término da confecção do aterramento, é realizada uma medição para conferir os valores reais encontrados e compará-los com os de projeto. Esse procedimento servirá também para acompanhar o desempenho do sistema de ater-ramento durante a vida útil da instalação (TELÓ, 2007).

Entende-se por aterrar um sistema o ato de conectar de forma intencional um elemento condutor à terra, com a função de manter os níveis de tensão em relação ao potencial de terra em valores previstos. Essa conexão representa um caminho seguro para que o fluxo de uma corrente indesejada seja transmitido dos condutores vivos para a terra, fazendo com que dispositivos de proteção da rede atuem de forma correta, garantindo a segurança de pessoas e instalações (PINHEIRO, 2008).

Em geral, a falta do sistema de aterramento não impede que um equipamento seja ligado, mas considerando que as tensões são referidas ao potencial de referência chamado terra, o funcionamen-to adequado somente será garantido quando a condição de ligação à terra estiver satisfeita (PINHEIRO, 2008).

A construção adequada de uma malha terra é um dos fatores que influenciam na segurança e funcionalidade de uma instalação elétrica. Os valores de resistência dessa malha devem garantir o mí-nimo de proteção exigido por instituições como a IEC (Comissão Eletrotécnica Internacional). Esse valor de resistência é encontrado por meio de medições realizadas nos eletrodos da malha pelo ter-

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rômetro, que é o instrumento utilizado para esse fim. Uma tensão é aplicada ao sistema a ser medido e um terra auxiliar (que serve como referência para o levantamento do valor de resistência da ma-lha), a resistência é medida até o local desejado (MAMEDE, 2013).

2. OBJETIVOS DO ATERRAMENTO ELÉTRICO

Um sistema de aterramento é utilizado para várias aplicações, como proteção contra choque, contra sobretensões, descargas at-mosféricas, descargas eletrostáticas e proteção de linhas de sinais. Todas essas funções podem levar a imaginar que exista fisicamente um aterramento para cada uma, porém, para que todos esses bene-fícios sejam possíveis, o aterramento deverá ser único, conforme ilustra a Figura 2.

Figura 2. Funções do Aterramento.

Fonte: Procobre.org (2016).

O aterramento elétrico é a conexão intencional de partes con-dutoras de um circuito ou aparelho, que não devem estar energiza-das quando em funcionamento, a um eletrodo conectado diretamen-te ao solo ou uma grande massa. A terra cumpre essa função, sendo considerado o potencial zero ao qual todas as tensões são referidas, principalmente se tratando da comunicação entre sistemas de infor-mação que se utiliza de um ponto apropriado para referência.

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Os eletrodos de aterramentos que farão o contato com o solo poderão ser: a própria armadura do concreto das fundações; fitas e barras metálicas embutidas no concreto; malhas metálicas enterra-das cobrindo a área da edificação ou anel metálico enterrado cir-cundando a área da edificação.

Os materiais e dimensões que comporão esses eletrodos são escolhidos em função da resistência mecânica para garantir a inte-gridade da malha, além da resistência e da corrosão. Suas medidas são conhecidas pela Tabela 1, a seguir, dependendo do tipo de ma-terial.

Tabela 1. Materiais comumente utilizáveis em eletrodos de ater-ramento – dimensões mínimas do ponto de vista da corrosão e da resistência mecânica, quando os eletrodos forem diretamente en-terrados.

Diâmetromm

Seçãomm²

Espessura do

materialmm

Espessura média do

revestimentoµm

Fita 100 3 70Perfil 120 3 70

Haste de seção

circular 15 70Cabo de seção

circular 95 50Tubo 25 2 55

Capa de cobre

Haste de seção

circular 15 2000Revestida de

cobre poreletrodeposição

Haste de seção

circular 15 254

Fita 50 2Cabo de seção circular 50

Cordoalha1,8 (cada

veio) 50Tubo 20 2

Zincada Fita 50 2 40

NúCobre

Dimesões Minimas

FormaSuperfícieMaterial

Zincada a quente

ou inoxidável

Aço

Fonte: ABNT NBR 5410 (2004, p. 143).

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Quando se utiliza uma única haste como aterramento, o valor da resistência que suportará uma elevada corrente no momento da falta será muito alto, devido à dependência do valor da resistivida-de do solo na profundidade em que o eletrodo está enterrado. Essa situação causa uma má distribuição da tensão pelo solo que estará concentrada em um raio ao redor da haste. Esse valor de tensão, co-nhecido como tensão de passo, poderá ser perigoso caso haja a pre-sença de pessoas em pé no momento da dissipação (Figura 3). Por esse motivo, em algumas situações, há a necessidade de construção de malhas de aterramento constituídas de várias hastes interligadas por condutores horizontais.

Figura 3. Tensão de passo.

Fonte: Procobre.org (2016).

3. PROJETO DO ATERRAMENTO

A NBR 5410-2004 não especifica um valor mínimo para a resistência do aterramento. A norma esclarece que mais importante que esse valor é a equipotencialização da instalação elétrica com o solo; no entanto, é exigido que essa impedância de aterramento seja suficientemente baixa para a atuação dos dispositivos de proteção

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e seccionamento como disjuntores e DR (diferencial residual) de forma segura.

Esses valores levam em consideração o tipo de aterramento adotado e os dispositivos empregados. A NBR 5419-2005, que trata exclusivamente de SPDA, ressalta que um subsistema de aterra-mento único é preferível, além de atender às necessidades de pro-teção contra raio, sistemas de potência de baixa tensão e sistemas de sinais.

Sobre o valor mínimo de resistência, a norma cita:Para assegurar a dispersão da corrente de descarga atmos-férica na terra sem causar sobretensões perigosas, o arran-jo e as dimensões do subsistema de aterramento são mais importantes que o próprio valor da resistência de aterra-mento. Entretanto, recomenda-se, para o caso de eletrodos não naturais, uma resistência de aproximadamente 10 Ω, como forma de reduzir os gradientes de potencial no solo e a probabilidade de centelhamento perigoso. No caso de solo rochoso ou de alta resistividade, poderá não ser pos-sível atingir valores próximos dos sugeridos. Nestes casos a solução adotada deverá ser tecnicamente justificada no projeto (ABNT NBR 5419, 2001, p. 9).

A resistividade do solo onde poderá ser instalado o sistema de aterramento pode variar muito em função da sua formação geológi-ca. Normalmente, apresentam-se em camadas horizontais compos-tas por diversos tipos de materiais, conforme Figura 4, podendo ser inclinadas e, em casos raros, até verticais.

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Figura 4. Solo estratificado n + 1 camadas.

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 27).

Considerando esse fato, o primeiro passo para se elaborar um projeto de aterramento é conhecer o valor da resistividade do solo. Para simplificação dos cálculos, alguns autores fixam esse valor como ρ = 100 (Ω m), mas, como sabemos que o solo possui diver-sas camadas com variação da composição, a melhor forma de se estabelecer um valor confiável é a medição em campo.

Alguns valores de resistividade podem ser conhecidos, como o disposto na Tabela 2.

Tabela 2. Tipo de solo e sua respectiva resistividade.

Tipo de solo Resistividade (Ω m)

Lama 5 a 100

Terra de jardim com 50% de umidade 140

Terra de jardim com 20% de umidade 480

Argila seca 1.500 a 5.000

Argila com 40% de umidade 80

Argila com 20% de umidade 330

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Areia molhada 1.300

Areia seca 3.000 a 8.000

Calcário compacto 1.000 a 5.000

Granito 1.500 a 10.000

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 3).

Para se obter os valores de resistividade do solo onde será instalada a haste de aterramento, utilizam-se métodos de prospec-ção geoelétricos, sendo o mais utilizado, pela sua simplicidade e precisão, o de Wenner. Esse método se utiliza da instalação de qua-tro eletrodos, dois de corrente e dois de tensão, conectados ao solo. O aparelho utilizado é chamado Megger. Dependendo do grau de precisão que se deseja do valor necessário para a atuação dos dis-positivos de proteção da instalação elétrica, será necessária a reali-zação do procedimento em diferentes períodos do ano; com isso, é possível obtermos um perfil de comportamento deste solo durante os vários períodos do ano, uma vez que temperatura e umidade do solo influenciarão no valor encontrado. A pior situação onde o va-lor de resistividade será mais alto é durante o período seco.

Figura 5. Método de Wenner.

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 20).

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Para um ponto que será analisado pelo aparelho, deve-se cravar as duas hastes de injeção de tensão a uma profundidade de 20cm ou até se obter uma boa fixação mecânica, de modo a estabe-lecer um contato elétrico satisfatório com o solo com uma distância da metade do comprimento da distância estabelecida que poderá ser: 2, 4, 6, 8, 16 e 32m em relação ao ponto. A partir desses ele-trodos, deverão ser fixadas as hastes de corrente com uma distância em relação às de tensão igual ao comprimento utilizado, conforme representa a Figura 5. O local deverá ser distante de áreas sujeitas a interferências como aterramento do neutro, solos com condutores, tubulações metálicas e cercas aterradas.

O valor da resistividade do solo com uma profundidade igual ao espaçamento será dado pela fórmula:

ρ = 2.π.a.R [Ω.m], (1)

Onde: a: distância entre eletrodos;R : valor indicado no potenciômetro do Megger (Ω).

A quantidade de pontos que serão medidos depende da im-portância da área ou de valores muito divergentes obtidos. Para cada ponto deverá ser realizada a medição em três direções diferen-tes, defasadas 60º entre si, conforme a Figura 6, a seguir. Para cada ponto, os espaçamentos são indicados pela Tabela 3.

Figura 6. Direções do ponto de medição.

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 23).

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Tabela 3. Valores de Espaçamento.

Espaçamentoa (m)

LeituraR(Ω)

Calculadoρ(Ω.m)

24681632

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 22).

Para cada ponto medido, será calculada a média aritmética com os três valores de resistividade das direções diferentes, porém, com o mesmo espaçamento. Para efeito de demonstração esses va-lores estão dispostos na Tabela 4, a seguir.

Tabela 4. Medições em campo.

1 2 3 4 52 340 315 370 295 3504 520 480 900 550 4906 650 580 570 610 6158 850 914 878 905 1010

16 690 500 550 480 60232 232 285 196 185 412

Resistividade Elétrica Medida por ponto(Ω.m)

Espaçamento a (m)

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 25).

Por meio da média entre os pontos com o mesmo espaça-mento, obtém-se a resistividade média. Com esse valor, calcula-se o desvio para cada ponto da tabela anterior. Valores com desvio acima de 50% deverão ser desprezados e uma nova média será cal-culada, como na última coluna da Tabela 5.

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Tabela 5. Determinação da média e desvios relativos.

1 2 3 4 52 1,7 5,6 10,77 11,37 4,79 334 3344 11,56 18,36 53,06 6,46 16,66 558 5106 7,43 4,13 5,78 0,82 1,65 605 6058 6,73 0,28 3,66 0,7 10,81 911,4 911,4

16 22,25 11,41 2,55 14,95 6,66 564,4 564,432 11,45 8,77 25,19 29,38 57,25 262 224,5

Espaçamento a (m)

Desvios Relativos(%)

Resistividade Média (Ω.m)

Resistividade MédiaRecalculada (Ω.m)

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 25).

O próximo passo consiste na estratificação do solo, que sig-nifica definir valores de resistividade em camadas de acordo com a profundidade. Para essa atividade, alguns métodos são utiliza-dos, como o de Pirson e Tagg, que, embora não sejam rápidos, são mais precisos, o Simplificado, que traduz o solo em apenas duas camadas e só apresenta bons resultados em certos tipos de solo, e o método Yokogawa, que se utiliza de gráficos e apresenta resultados satisfatórios.

Pelos valores de resistividade média encontrados, traça-se a curva ρ x a, que representa o local de construção do aterramento, conforme exemplo a seguir.

Tabela 6. Valores para exemplo.

Espaçamento a (m)

Resistividade medida (Ω.m)

1 6842 6114 4156 2948 23716 18932 182

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 35).

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Gráfico 1. Resistividade x espaçamento.

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 36).

Observando o gráfico e prolongando a curva, tem-se que para ρ1 = 700 Ω.m. Escolhe-se um espaçamento a1= 4 m e encontramos ρ(a1) = 415 Ω.m. De acordo com a curva, o valor do coeficiente de reflexão k pode ser negativo ou positivo.

Gráfico 2. Curvas ρ(a) x a Descendente e Ascendente.

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 32).

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Nesse caso, como a curva é descendente, o valor de K é negativo, dado pela relação:

(2)

A partir desse valor, traça-se uma linha paralela ao eixo das abcissas no gráfico teórico para o valor de K correspondente.

Gráfico 3. Curvas para o valor de K < 0.

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 33).

Teremos os valores de K e h/a, que, multiplicados pelos valo-res de a1, comporá uma nova tabela.

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Tabela 7. Valores de profundidade (h) para espaçamento a1

k h/a h [m]-0,1 - --0,2 - --0,3 0,263 1,052-0,4 0,423 1,692-0,5 0,547 2,188-0,6 0,625 2,5-0,7 0,691 2,764-0,8 0,752 3,008-0,9 0,8 3,2-1 0,846 3,384

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 37).

Escolhemos outro valor para a2 como, por exemplo, 6 m:

a2 = 6 m, ρ(a2) = 294 m, ρ(a2)/ρ1 = 294/700 = 0,42.

Novamente, recorremos ao gráfico teórico traçado para os valores de K negativo e uma segunda tabela será composta.

Tabela 8. Valores de profundidade (h) para espaçamento a1.

a1 = 6 m ρ(a2)/ρ1 = 0,42

K h/a h[m]

-0,1 0 0-0,2 0 0-0,3 0 0-0,4 0 0-0,5 0,305 1,83-0,6 0,421 2,526-0,7 0,488 2,928-0,8 0,558 3,348-0,9 0,619 3,714-1 0,663 3,978

Fonte: Kindermann e Campagnolo (1995, p. 38).

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Com os valores de K e h das tabelas construídas pelos dois espaçamentos a1 e a2 de, plotamos os dois gráficos e o ponto onde as duas linhas se cruzam indica a profundidade h do solo em que o valor de resistividade é igual ρ1.

Gráfico 4. Curvas h x K.

Fonte: Adaptado de Kindermann e Campagnolo (1995, p. 38).

Tem-se, então, que, para uma camada com profundidade de 2,574m, a resistividade aparente ρa = 700 Ω.m e o k = -0,616. Pela fórmula k =(ρ2-ρ1)/ (ρ2+ρ1), o valor ρ2 = 166,36 Ω.m.

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Figura 7. Solo estratificado em duas camadas.

Fonte: Adaptado de Kindermann e Campagnolo (1995, p. 39).

O valor da resistência de aterramento para uma haste é dado pela fórmula:

(3)

Onde: ρa : resistividade aparente do solo no local de instalação da haste [Ω.m];

l: comprimento enterrado da haste [m];d: diâmetro da haste [m].

No entanto, dificilmente uma haste será suficiente para o fun-cionamento correto do sistema de aterramento. Alternativas pode-rão ser utilizadas, como o aumento do diâmetro da haste, instalação de hastes em paralelo, utilização de hastes profundas e o tratamento químico do solo, porém, a forma que reduz os riscos de uma ele-vada tensão de passo é a construção de uma malha de aterramento.

Para a primeira camada de solo nessa modalidade de aterra-mento, considera-se a resistividade superficial (ρs) igual a da brita molhada, que equivale a 3.000 Ω.m.

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4. CONDUTOR DE PROTEÇÃO

A partir do eletrodo ou malha de terra construído, deverá ser conectado um condutor de proteção até o BEP (Barramento de Equipotencialização Principal).

Figura 8. Barramento de equipotencialização principal.

Fonte: Adaptado de NBR 5410 (2004).

Legenda:BEP = Barramento de equipotencialização principalEC = Condutores de equipotencialização1 = Eletrodo de aterramento (embutido nas fundações)2 = Armaduras de concreto armado e outras estruturas metálicas da edificação3 = Tubulações metálicas de utilidades, bem como os elementos estruturais metálicos a elas associados:3.a = água3.b = gás3.c = esgoto3.d = ar-condicionado4 = Condutos metálicos, blindagens, armações, coberturas e capas metálicas de cabos:

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4.a = Linha elétrica de energia4.b = Linha elétrica de sinal5 = Condutor de aterramento principal

A conexão deverá apresentar excelente contato elétrico e resistência mecânica para garantir a continuidade. Em uma malha de terra, deverá ser executada a conexão preferencialmente através de solda exotérmica. A bitola do condutor PE ou terra utilizada é definida em função do condutor fase de alimentação da instalação, conforme o Quadro 3.Quadro 3. Seção mínima do condutor de proteção.

Seção dos condutores de fase Smm²

Seção mínima do condutor deproteção correspondente

mm²S<_ 16 S

16<=S<=35 16S>35 S/2

Fonte: ABNT NBR 5410 (2004, p. 150).

Nesse BEP, deverão estar conectados individualmente e pelo uso exclusivo de ferramenta adequada (e que não seja removido manualmente): armaduras do concreto armado, estruturas metáli-cas da edificação, tubulações metálicas diversas, condutos metáli-cos de energia e sinal, blindagens e capas metálicas de cabos das linhas de energia e sinal, condutores de proteção, outros eletrodos de aterramento existente e condutor neutro da alimentação elétrica.

Além dessas estruturas utilizadas para proteção, a norma pre-vê outra utilização para o BEP:

O barramento de equipotencialização principal (BEP) da edificação pode ser utilizado para fins de aterramento fun-cional e, para tanto, ele pode ser prolongado, por meio de um condutor de baixa impedância. No caso de edificações com uso extensivo de equipamentos de tecnologia da in-formação (ETI), esse barramento de equipotencialização funcional deve constituir preferencialmente um anel fe-

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chado, internamente ao perímetro da edificação (ABNT NBR 5410, 2004, p. 153).

Com essa atribuição, deverão estar ligados conectores de aterramento de dispositivos de proteção contra sobretensão; con-dutores de aterramento de antenas de radiocomunicação; condutor de aterramento de polo aterrado de fontes de corrente contínua para os ETI (Equipamento de Tecnologia da Informação); condutores de aterramento funcional e de equipotencialização suplementares.

5. PROTEÇÕES CONTRA SOBRETENSÃO

A NBR 5410 prevê a utilização de proteção contra sobreten-sões transitórias nos seguintes casos:

a) Quando a instalação for alimentada por linha total ou par-cialmente aérea, ou incluir ela própria linha aérea e se si-tuar em região sob condições de influências externas AQ2.

b) Quando a instalação se situar em região sob condições de influências externas AQ3.

Quadro 4. Descargas Atmosféricas.

Código Classifica-ção Característica Aplicações exemplos

AQ1 Desprezí-veis ≤25 dias por ano --

AQ2 Indiretas>25 dias por anos

Risco proveniente de redes de alimentação

Instalações alimentadas por redes aéreas

AQ3 DiretasRisco proveniente da expo-sição dos componentes da

instalação.

Partes da instalação situa-das no exterior das edifi-

cações

Fonte: ABNT NBR 5410 (2004, p. 29).

O número de dias de trovoadas por ano é calculado pela seguinte fórmula:

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Ng, = 0,04. Td1,25, (4)Onde: Ng : Densidade de descargas atmosféricas para a terra [km²/

ano]; Td: Número de dias de trovoadas por ano ou índice

cerâunico.

O valor de Ng está disponível no site do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) e para o município de Rio Claro-SP, este valor é igual a 8,85 km²/ano. Realizando os cálculos, temos:

(5)

Portanto, para essa região, é necessária a utilização de meios para a proteção contra sobretensões, como os DPS, para a entrada de energia elétrica, e de sinais eletrônicos como telefone, comuni-cação de dados, sinais de antenas externas ou qualquer outro sinal eletrônico.

Os dispositivos selecionados para a proteção da instalação e dos equipamentos eletroeletrônicos sensíveis deverão suportar os limites de tensão de impulso, para os quais os aparelhos foram projetados para operar sem que ocorra a ruptura da isolação. Esse valor-limite deverá ser fornecido pelo fabricante e indicado por ca-tegorias, conforme o Quadro 5.

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Quadro 5. Suportabilidade a impulso exigível dos componentes da instalação.

Produto a ser utilizado na

entra da instalação

Produto a ser utilizado em circuitos de distribuição

e circuitos terminaisEquipamentos de utilização

Produtos especialmente

protejidos

4 3 2 I

120/208127/220

115-230120-240127-254

4 2,5 1,5 0,8

220/380, 230/400,277/480

_ 6 4 2,5 1,5

400/690 _ 8 6 4 2,5

SistemasTrifásicos

Tensão nominal da instalaçãoV

Tensão de impulso suportável requeridakV

Categoria do produto

Categoria de suportabilidade a impulsos

Sistemas monofásicos com neutro

Fonte: NBR 5410 (2004, p. 71).

As quatro categorias citadas estão em ordem crescente de su-portabilidade. Para a categoria I, estão contidos os equipamentos conectados de forma fixa a uma instalação, porém, protegidos por algum dispositivo externo que exerça a proteção contra sobreten-sões. Para os da categoria II também estão aparelhos conectados diretamente à rede elétrica, como eletrodomésticos, ferramentas elétricas e similares.

Na categoria III, estão os produtos que mais exigem confia-bilidade aos impulsos, como quadros de distribuição, condutores, caixas de passagem, disjuntores, interruptores, tomadas, painéis, contatores e motores elétricos conectados diretamente à rede. Na categoria IV, estão os elementos de entrada da instalação, como me-didores de energia, dispositivos de seccionamento e demais acessó-rios contidos nesse ponto da instalação.

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6. INSTALAÇÃO E SELEÇÃO DE DPS

Os DPS funcionam com a diminuição da impedância inter-na em função do aumento da tensão entre os terminais de ligação, desviando para o aterramento o surto de tensão, evitando que uma sobretensão ultrapasse o valor da suportabilidade do equipamento que está sendo protegido. São construídos basicamente por varisto-res, diodos ou centelhadores.

Esses dispositivos estão subdivididos em três classes. Os DPS classe 1 foram projetados para a proteção de sistemas de baixa tensão para altas correntes de surto causadas por descargas diretas ou indiretas. Possuem o nível de proteção de tensão de até 1,5 kV.

Para os dispositivos classe 2, está prevista a proteção contra descargas indiretas. Estes são os mais utilizados em instalações re-sidenciais, complementando a proteção exercida pelo DPS classe 1.

O DPS classe 3 finaliza a proteção para os equipamentos ele-troeletrônicos mais sensíveis e deve ser instalado o mais próximo possível dessas cargas. Como conduzirão baixas correntes, os mo-delos 5 a 10 kA são os mais utilizados, normalmente são construí-dos por diodos.

Deverão ser ligados em série após o dispositivo de proteção contra sobrecorrentes, com o valor de corrente determinado pelo fabricante, para que, em caso de defeito apresentado pelo disposi-tivo, este seja seccionado da rede, evitando danos à instalação. De-verá ser instalado um DPS com número de polos igual ao número de fases da instalação e, caso o neutro não esteja aterrado no local de instalação do dispositivo, deverá ser previsto, também, um polo para a proteção do condutor neutro.

A seleção dos dispositivos de proteção contra surto deverá seguir as características mínimas em relação ao nível de proteção, tensão máxima de operação contínua, capacidade para suportar as sobretensões temporárias, corrente nominal de descarga ou de im-pulso e corrente de curto circuito.

A especificação do DPS para o nível de proteção (Up) está descrita no Quadro 5. Por exemplo: caso a instalação seja alimen-

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tada por uma tensão de 220/380 V, o nível de proteção não poderá exceder 2,5 kV no ponto de utilização dos equipamentos.

Para a tensão máxima de operação contínua (Uc), o Quadro 6, a seguir, descreve os valores, também em função da tensão da instalação.

Quadro 6. Valor mínimo de Uc exigível do DPS, em função do esquema de aterramento.

Fonte: ABNT NBR 5410 (2004, p.133).

A capacidade de suportar as sobretensões temporárias está es-tabelecida pela NBR IEC 61643-1:2007 – Dispositivos de proteção contra surtos em baixa tensão; Parte 1: Dispositivos de proteção conectados a sistemas de distribuição de energia de baixa tensão; ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas e deve garantir que o dispositivo não ofereça risco em caso de dano provocado por sobretensão causada por falhas externas na média tensão ou perda do condutor neutro.

A característica de suportar a corrente nominal de descarga (In) e de impulso (Iimp) passa pela análise de, ao menos, duas si-tuações básicas, quando o DPS tem a função apenas para prote-

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ção por descargas atmosféricas indiretas transmitidas pela rede de alimentação ou manobras na rede elétrica externa, esse valor não deverá ser menor que 20 kA para rede trifásica e de 10 kA para a rede monofásica. Para a proteção contra descarga direta, os valores descritos passam para 50 kA para rede trifásica e 25 kA para a mo-nofásica.

A corrente de curto-circuito suportada pelo DPS não deve ser inferior à do dispositivo de proteção contra sobrecorrente da insta-lação (disjuntores e fusíveis). Em caso de ligação entre neutro e o condutor PE, esse valor não deve ser inferior a 100 A.

Os dispositivos de proteção contra surto deverão ser instala-dos na entrada de energia elétrica em baixa tensão do consumidor ou no quadro de distribuição principal. É possível que seja insta-lado com a medição de consumo de energia elétrica, desde que o condutor de aterramento esteja conectado ao barramento de equi-potencialização principal da instalação. Uma sugestão de instala-ção é indicada pela Figura 9, a seguir.

Figura 9. Sugestão de instalação do DPS.

Fonte: WEG (2016).

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Os DPS que fazem parte de uma mesma instalação deverão estar distantes em relação ao outro, por uma distância elétrica in-formada pelo fabricante, de modo a garantir a seletividade de sua atuação. Dessa forma, cada DPS atuará sequencialmente, um após o outro, prolongando a vida útil do dispositivo.

Figura 10. Sequência de DPS.

Fonte: adaptação dos autores.

O dispositivo de proteção contra surto pode atuar por mui-tas vezes, porém, quando esse limite de atuações for atingido, um indicador localizado no corpo desse dispositivo informará sobre a necessidade de substituição.

7. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Após a análise das obras que tratam sobre o assunto, entende-mos que o dimensionamento do aterramento se trata de uma etapa que envolve a análise de solo considerando a formação geológica (composição, umidade e profundidade das camadas existentes de acordo com as respectivas resistividades elétricas), dimensão do espaço disponível, máxima corrente de circulação pela malha de terra e tensão de passo admissível.

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O valor da resistência de aterramento não foi um dos critérios mais importantes para a proteção contra a sobretensão como acre-ditávamos. A grande preocupação está na equipotencialização dos barramentos existentes para essa finalidade, visto que o DPS pode atuar, inclusive, por meio de um sistema com neutro aterrado.

Descobrimos que o SPDA garante apenas a proteção de edi-fícios e pessoas no seu interior, mas não oferece qualquer função quanto a sobretensões que possam estar presentes na instalação elé-trica no momento da descarga.

Reproduzimos o método de Wenner para o cálculo da resisti-vidade do solo, atingindo o objetivo proposto de conhecer as etapas de construção do aterramento. Para estudos posteriores, há a possi-bilidade de uma verificação mais detalhada quanto à distribuição da corrente elétrica pelo solo pelas medições reais, com a verificação dos diferentes tipos de sistemas de aterramento.

Constatamos que o aterramento elétrico é importante no com-plemento das ações para redução da sobretensão, no entanto, o uso de DPS mostrou-se decisivo na solução do problema, a seleção e a instalação desses dispositivos complementam a proteção pelo fun-cionamento sequencial que oferecem.

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