Proteção contra choques elétricos e aterramento em instalações de B

Proteção contra choques elétricos e aterramento em instalações de B

(Parte 1 de 5)

Módulo 4 S Proteção contra choques elétricos e aterramento das instalações de baixa tensão

Seminários Técnicos 2003 Engenheiros e Projetistas

Produtos e Sistemas Industriais, Prediais e Automação Siemens Central de Atendimento Siemens Tel. 0800-119484 e-mail: atendimento@siemens.com.br w.siemens.com.br

Siemens Ltda.As informações aqui contidas correspondem ao estado atual técnico, e estão sujeitas a alterações sem aviso prévio.

Produzido em mai/03

IND2-3/2126-CA

Fábrica São Paulo: Rua Cel. Bento Bicudo, 1 Lapa 05069-900 Tel. (5 1) 3833-451 Fax (5 1) 3833-465

Vendas Belo Horizonte: Tel. (5 31) 3289-40 Fax (5 31) 3289-4

Brasília: Tel. (5 61) 348-7600 Fax (5 61) 348-7639

Campinas: Tel. (5 19) 3754-6100 Fax (5 19) 3754-6111

Curitiba: Tel. (5 41) 360-1171 Fax (5 41) 360-1170

Fortaleza: Tel. (5 85) 261-785 Fax (5 85) 244-1650

Porto Alegre: Tel. (5 51) 3358-1818 Fax (5 51) 3358-1714

Recife: Tel. (5 81) 3461-6200 Fax (5 81) 3461-6276

Rio de Janeiro: Tel. (5 21) 2583-3379 Fax (5 21) 2583-3474

Salvador: Tel. (5 71) 340-1421 Fax (5 71) 340-1433

São Paulo: Tel. (5 1) 3817-3000 Fax (5 1) 3817-3071

Proteçªo contra choques elØtricos e aterramentos das instalaçıes elØtricas de baixa tensªo1

s SeminÆrios TØcnicos 2003

Proteçªo contra choques elØtricos e aterramentos das instalaçıes elØtricas de baixa tensªo2

Proteçªo contra choques elØtricos e aterramentos das instalaçıes elØtricas de baixa tensªo

˝ndice

1.aResistividade

1. Definiçıes e Conceitos bÆsicos 1.b. ResistŒncia do aterramento 1.c. Componentes do aterramento de uma instalaçªo 1.d. ResistŒncia de aterramento de uma malha 1.e. Valor da resistŒncia de Aterramento 1.f. O que Prescrevem as normas NBR5410 e NBR5419 1.g. Solos bons e maus condutores 1.h. Tensıes notÆveis

2. Os Esquemas de Aterramento 2.a. Esquemas nªo padronizados industriais 2.b. Indicaçªo dos esquemas de aterramento 2.c. O Esquema T 2.d. O Esquema TN 2.e. O Esquema TN-C 2.f. O Esquema TN-S 2.g. O Esquema TN-C-S 2.h. O Esquema IT

3. Proteçªo contra choques elØtricos 3.a. Efeito fisiológico da corrente no corpo humano 3.b. O socorro às vítimas 3.c. Proteçªo contra contatos diretos e indiretos 3.d. Proteçªo contra contatos diretos 3.e. Prevençªo contra contatos indiretos 3.f. Condiçıes das influŒncias externas determinantes para seleçªo das medidas de proteçªo contra choques

4. Os dispostivos de corrente residual/Diferencial DR 4.a. Aplicaçªo

Proteçªo contra choques elØtricos e aterramentos das instalaçıes elØtricas de baixa tensªo3

1. Definiçıes e Conceitos BÆsicos 1.a. Resistividade

É numericamente igual à resistŒncia entre duas faces opostas de um cubo construído com o material e com aresta unitÆria (NBR 7117:1981). Sªo usadas as unidades: Ω.m ou Ω.cm.

Se o material for um metal Ø fÆcil construir um cubo desse material. Se o material for liquido, Ø construída uma cuba, de material isolante, onde sªo instalados dois eletrodos iguais montados a uma distância fixa. Conhecida a Ærea dos eletrodos e a distância entre eles, Ø calculada a resistividade (em alguns casos a condutividade, que Ø o seu inverso).

Existem dispositivos para medir a resistividade/condutividade de um liquido em movimento, quando essa propriedade Ø importante para um processo industrial. No caso do solo que Ø composto de materiais diferentes, com graus de compactaçªo e teor de umidade tambØm diferentes Ø possível determinar a resistividade mØdia a partir de uma amostra do solo.

Solo nªo estratificado

Essa amostra deve ser de tamanho razoÆvel e tratada com muito cuidado para poder representar o solo local.

Um mØtodo usado em laboratório consiste em construir um cubo de madeira com aresta de 1m e com duas faces apostas cobertas por chapas metÆlicas.

O material retirado do solo, do qual foi medida a compactaçªo e o teor de umidade Ø misturado e colocado na caixa cubica em camadas. Após a deposiçªo de cada camada o material Ø socado para reproduzir a mesma compactaçªo do solo original. Se o material chegou a secar, por evaporaçªo, deve ser juntada Ægua para reproduzir a umidade do solo original.

Completadas todas as camadas, deve ser feita a mediçªo da resistŒncia entre as faces metÆlicas opostas. O resultado da mediçªo em ohms Ø a resistividade do solo em ohm.m. Por essa descriçªo simplificada do mØtodo pode-se ver que o resultado obtido poderÆ apresentar grandes variaçıes de acordo com os

Proteçªo contra choques elØtricos e aterramentos das instalaçıes elØtricas de baixa tensªo4

procedimentos e cuidados seguidos. AlØm disso deveríamos tirar muitas amostras em um terreno para ter uma resistividade mØdia, nªo só ao longo da Ærea, mas tambØm a diferentes profundidades.

Existem mØtodos para medir a resistividade do solo em uma Ærea e estratificar as resistividades de modo a substituir o solo original por um solo de vÆrias camadas de resistividade constante.

O mØtodo padronizado pela ABNT para medir a resistividade do solo (NBR-7117:1981 ) Ø o mØtodo de Wenner que descrevemos a seguir.

Devem ser cravadas no solo 4 hastes verticais, alinhadas e separadas por uma mesma distância. A parte cravada no solo nªo deve ser maior de 1/20 da distância entre as hastes. Um terrômetro de quatro terminais tem seus dois terminais de corrente ligados às hastes externas e os terminais de potencial correspondentes, ligados as hastes internas, como indicado no croquis abaixo.

Resistividade do solo- Mediçªo MØtodo de Wenner

O aparelho fornece uma corrente entre os terminais C2 e C1 que vai circular pelo solo e produzir uma queda de tensªo entre as hastes 2 e 3 que serÆ detectada pelos terminais P1 e P2.

O terrômetro dispıe de um circuito em ponte que dividirÆ o valor da tensªo pelo valor da corrente fornecida e darÆ a resistŒncia atravØs da leitura no visor.

A resistividade serÆ calculada por ρ = 2πRa, onde: R leitura em Ω do terrômetro; ρ calculada em Ω.m; a distância entre as hastes em metros.

Variando-se a distância a e os pontos de mediçªo obteremos um conjunto de valores da resistividade a cada profundidade a. Calculando a mØdia dos valores obtidos para cada distância ou seja para cada profundidade e traçando um grÆfico (ρm,a) da resistividades mØdias em funçªo das profundidades teremos uma curva das resistividades medias.

Proteçªo contra choques elØtricos e aterramentos das instalaçıes elØtricas de baixa tensªo5

Os pontos de referŒncia sªo onde deve ficar o aparelho e a partir desse ponto vªo sendo cravadas as estacas com as distâncias a, em cada uma das seis direçıes. Os valores de a recomendados, mas nªo

obrigatórios, sªo: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64metros, de acordo com o tamanho do terreno.

Essa seqüŒncia de razªo 2 Ø conveniente mas, como dito acima nªo precisa ser seguida. Quanto maior o nœmero de mediçıes feitas, mais precisa serÆ a medida.

Entrando com os dados correspondentes a cada ponto em um programa, como TecAT-4, obtemos inicialmente o grÆfico das resistividades mØdias e a seguir a estratificaçªo em 2, 3 ou 4 camadas, de acordo com o tipo do solo. O programa fornece a profundidade e a resistividade de cada camada.

Curva resistividade em Ωm = f(d) distância em metros

A partir daí existem mØtodos grÆficos e mØtodos computacionais para calcular a estratificaçªo. Por ter muitas restriçıes na aplicaçªo e por sua imprecisªo, os mØtodos grÆficos foram substituídos por programas computacionais muito mais rÆpidos e precisos.

A norma citada acima recomenda a mediçªo segundo os lados de um quadrilÆtero traçado no terreno e em duas direçıes a partir do centro.

Proteçªo contra choques elØtricos e aterramentos das instalaçıes elØtricas de baixa tensªo6

Estratificaçªo das resistividades

A resistŒncia de aterramento É a relaçªo entre a corrente que circula entre a malha e um ponto distante e a tensªo aplicada entre esses dois pontos. A resistŒncia de aterramento de um eletrodo Ø a soma de trŒs parcelas:

• ResistŒncia do eletrodo,

• ResistŒncia de contato entre o eletrodo e o solo

• ResistŒncia do solo em torno do eletrodo.

A primeira parcela Ø muito baixa, tanto pelas dimensıes com pela resistividade do material, que Ø muito baixa. A segunda parcela, se o eletrodo for vertical e cravado sob pressªo no solo, tambØm Ø muito baixa; se o eletrodo for introduzido solto no solo, Ø provÆvel que a resistŒncia de contato seja elevada. A terceira parcela Ø que determina o valor da resistŒncia de aterramento, salvo no caso do eletrodo ter um mau contato com o solo.

1.b. A resistŒncia de aterramento

A terra nªo um sorvedouro de correntes, capaz de absorver qualquer quantidade de energia, mas deve ser considerada como um condutor que faz parte de um circuito por onde passa corrente. No caso das descargas atmosfØricas, a terra faz parte do circuito delas: a corrente do raio sobe da terra para a nuvem em um canal ( o raio) com uma densidade muito alta de corrente e com uma temperatura tambØm muito alta e constitui a parte visível da descarga e desce lateralmente em redor da nuvem com uma densidade muito baixa. A segunda parte, nªo visível mas Ø constatada pela alta densidade de cargas elØtricas (elØtrons e íons) na atmosfera durante as tempestades. Em um curto-circuito fase-terra a corrente que entra na terra no ponto de curto, retorna à fonte (transformador ou gerador) circulando pela terra. Em ambos os casos a presença da corrente Ø constatada pelas tensıes (denominadas de passo) que aparecem na superfície do solo. A terra deve ser considerada um condutor especial mas que como todo condutor apresenta uma resistŒncia.

Para efeito de modelagem, pode-se simplificar atravØs de algumas hipóteses: • O eletrodo Ø uma haste vertical cravada em solo de resistividade homogŒnea.

• A corrente sai perpendicularmente do eletrodo e penetra no solo.

Proteçªo contra choques elØtricos e aterramentos das instalaçıes elØtricas de baixa tensªo7

Em torno do eletrodo formam-se superfícies cilíndricas equipotenciais

A contribuiçªo do solo para a resistŒncia pode ser imaginada como a soma de vÆrios cilindros com espessuras pequenas, feitos com o material do solo e com diâmetros crescentes a partir da superfície do eletrodo. Cada uma dessas cascas terÆ uma resistŒncia que vai diminuindo a partir da primeira junto ao eletrodo, pois a suas superfície vai aumentando. Uma casca entre as superfícies A e B apresentarÆ uma resistŒncia:

R = ρ l/Sou R ≅ ρ .d/ 2 π r l , onde:

ρ resistividade S superfície l comprimento de um condutor d espessura da casca entre A e B r raio mØdio da casca l altura da casca (comprimento do eletrodo)

A resistŒncia do solo nesse modelo Ø igual à soma das resistŒncias das diversas cascas do terreno. O fim da influŒncia do eletrodo serÆ o terra de referŒncia onde a resistŒncia R serÆ nula.

Por esse modelo o solo pode ser representado por um condutor de seçªo variÆvel com seçıes crescentes a partir da seçªo inicial. No trecho final a resistŒncia serÆ nula e a seçªo serÆ infinita.

Proteçªo contra choques elØtricos e aterramentos das instalaçıes elØtricas de baixa tensªo8

Com modelo anÆlogo mas considerando o efeito da ponta do eletrodo resultando entªo em cascas cilíndricas completadas por hemisfØrios na parte inferior, chega-se à conclusªo de que a resistŒncia total de aterramento estÆ concentrada nos primeiros 30 cm em torno do eletrodo (cerca de 70 %) (IEEE Std 142. 1991). Daí a razªo de se obter uma melhoria da resistŒncia de aterramento, umedecendo o solo em torno do eletrodo, ou tratando com sal ou outro material de baixa resistividade.

1.c. Componentes do aterramento de uma instalaçªo

AlØm do eletrodo (T) ou malha de aterramento que estªo em contato com a terra, diretamente ou atravØs do concreto da fundaçªo sªo necessÆrios outros componentes para aterrar todos as partes dos equipamentos e do sistema elØtrico que deverªo ser aterradas. Os componentes adicionais sªo:

• Terra de referŒncia (E): eletrodo ou eletrodos afastados da instalaçªo que serve(m) de referŒncia para mediçªo.

• TAP ou LEP (B) - terminal de aterramento principal ou ligaçªo equipotencial principal: Ø uma barra de impedância baixa e de tamanho suficiente para receber todas as conexıes necessÆrias. É instalada isolada da parede ou de um quadro por isoladores de baixa tensªo. Uma barra de cobre de 50mmx6mm e comprimento de 50cm a 1 metro ou mais em geral Ø satisfatória. O comprimento a ser adotado depende do nœmero de conexıes que deverªo ser feitas.

• Elemento condutor ou massa condutora estranha (C): parte condutora exposta que nªo faz parte da instalaçªo elØtrica mas que poderÆ introduzir um potencial, geralmente o da terra.

Proteçªo contra choques elØtricos e aterramentos das instalaçıes elØtricas de baixa tensªo9

• Terminal de aterramento ou terminal de aterramento secundÆrio ou suplementar (TAS): Ø uma barra similar ao TAP instalada de maneira similar para aterrar os equipamentos de uma sala ou de um andar

• Massa (M): Ø a estrutura metÆlica de um equipamento.

• Condutor de aterramento (1): Ø o condutor de cobre que vai interligar o TAP ao eletrodo de aterramento. Sua dimensªo, se nªo for entrar em contato com a terra serÆ de 35 m†, e se for ficar enterrado, 50mm†.

• Condutor de equipotencialidade principal (2): Ø o condutor de cobre de 16 m† que interliga o TAP a um condutor ou massa estranha, como uma estrutura metÆlica ou a ferragem de reforço do concreto armado.

• Condutor de proteçªo principal (3): condutor de cobre que interliga os TAS ao TAP.

• Condutor de proteçªo (4): Ø o condutor PE que interliga as massas dos equipamentos aos TAS ou ao

TAP da instalaçªo. O dimensionamento Ø dado pela NBR-5410 em funçªo da bitola dos condutores do sistema de força. Para S seçªo do condutor dos condutores das fases atØ 16 m†, usa-se S; para condutores entre 16m† e 35 m† usa-se 16 m†, para s>35 m†, usa-se a metade da seçªo usada nas fases.

• Condutor de equipotencialidade suplementar (5): Ø o condutor que interliga a massa de um equipamento à estrutura metÆlica ou à ferragem do concreto armado de uma estrutura.

A resistŒncia de aterramento de um eletrodo pode ser medida ou calculada; o cÆlculo dificilmente pode ser feito atravØs das fórmulas teóricas encontradas nos manuais, por que essas fórmulas só se aplicam a solos de resistividade uniforme, o que raramente se encontra na prÆtica. O mØtodo de cÆlculo mais moderno e mais

Proteçªo contra choques elØtricos e aterramentos das instalaçıes elØtricas de baixa tensªo10

preciso Ø usar um programa de computador que depois de fazer a estratificaçªo como indicado acima, calcula a resistŒncia de aterramento do eletrodo.

Quando se vai utilizar um só eletrodo, ou quando a Ærea Ø pequena pode-se fazer uma aproximaçªo: medese a resistŒncia de aterramento do eletrodo e calcula-se a resistividade mØdia ou equivalente do solo entrando-se na fórmula com o valor medido da resistŒncia e calculando-se o da resistividade.

Assim, se tivermos um eletrodo de comprimento L e raio a, para o qual a mediçªo da resistŒncia de aterramento foi R, utilizando a fórmula abaixo, pode-se calcular o valor de ρ:

R= ρ (ln 4L/a – 1) / 2πL ou seja ρ = R . 2 π l /(ln 4L/a – 1)

Fora esse caso, o cÆlculo deve ser feito com indicado a seguir:

Obtida a estratificaçªo, entra-se com o desenho da malha de aterramento e o programa TecAt calcula a resistŒncia da malha, e se a malha for de uma subestaçªo, o programa fornece as tensıes de toque e de passo que ocorrerªo nessa malha quando nela for injetada uma dada corrente de falta à terra. A resistŒncia de aterramento vai variar durante o ano de acordo com o índice pluviomØtrico: na estaçªo das chuvas o valor serÆ o mínimo e na estaçªo das secas o valor serÆ o mÆximo. Para nªo cometer erros de avaliaçªo, a mediçªo da resistŒncia deve ser feita com o terreno normal , nªo encharcado por chuvas recentes. Uma prÆtica aconselhada Ø a mediçªo ser feita após 10 a 15 dias sem chuvas. A distância entre o ponto distante e a malha varia com a resistividade do solo e estÆ entre 6 e 10 vezes a maior dimensªo da malha (se a malha for retangular a maior dimensªo serÆ a sua diagonal).

1.d. ResistŒncia de aterramento de uma malha mediçªo

Para se ter certeza que a mediçªo foi feita a uma distância correta, faz-se a mediçªo com vÆrias distâncias e traça-se o grÆfico em papel dilogarítmico de R em funçªo de d. O valor da resistŒncia serÆ o patamar da curva ou o seu ponto de inflexªo.

(Parte 1 de 5)

Comentários