Curso de aterramento módulo 3 rev2

Curso de aterramento módulo 3 rev2

(Parte 1 de 2)

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ÍNDICE DE FIGURAS3
ÍNDICE DE TABELAS3
ATERRAMENTO4
CORRENTE DE FALTA PARA A TERRA4
TEMPO DE DURAÇÃO DE FALTA5
SEÇÃO TRANSVERSAL DOS CONDUTORES6
PERDAS DE CALOR DURANTE OS INTERVALOS DE REARME8

1. DIMENSIONAMENTO DE CONDUTORES DOS SISTEMAS DE

FALTA DURANTE O TEMPO T8
VARIAÇÃO DA TEMPERATURA POR IRRADIAÇÃO8
DETERMINAÇÃO DA BITOLA DO CONDUTOR1
CONSIDERAÇÕES SOBRE AS CONEXÕES12
CONCLUSÕES13
SISTEMAS ELETRÔNICOS15
3. DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE ATERRAMENTO18
INTERLIGAÇÃO DE HASTES EM PARALELO18
ELETRODOS HORIZONTAIS23

2. SELEÇÃO DOS CONDUTORES NO PROJETO DE ATERRAMENTO DE DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS DE ATERRAMENTO COMPOSTOS POR

DO IEEE25
5. APLICAÇÕES PRÁTICAS31

4. DIMENSIONAMENTO DE MALHAS DE ATERRAMENTO PELO MÉTODO 6. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................... 3

3 ÍNDICE DE FIGURAS

sistema, quando submetidos à corrente de falta6

Figura 1: Ciclos de aquecimento e resfriamento dos condutores com os religamentos no Figura 2: Auto-indutância de condutores sólidos para ambas configurações: quando

ou16 wlh > wld 2>
Figura 3: esquema de uma malha de aterramento25
Tabela 1: Sistemas e unidades10
Tabela 2: Dados característicos dos condutores (SI)1
Tabela 3: Temperatura e bitolas dos condutores (religamento automático)1
Tabela 4: Associação de hastes em paralelo20
Tabela 5: Valores de γ e β21
Tabela 6: Coeficiente de redução para haste alinhada2
Tabela 7: Resistência de aterramento de condutores horizontais enterrados23

ÍNDICE DE TABELAS Tabela 8: Mínima seção do condutor por kA (mm²/kA)................................................29

1. DIMENSIONAMENTO DE CONDUTORES DOS SISTEMAS DE ATERRAMENTO

Boa parte das concessionárias têm por prática empregar cobre nu de bitola 2

AWG ou 25 mm² nos sistemas de aterramento de redes de distribuição. No entanto, o uso de fios com bitolas ou seções menores e de outros materiais pode reduzir bastante os custos, sem prejuízo da confiabilidade do aterramento.

As concessionárias de energia elétrica utilizam diversos tipos de condutores elétricos para os sistemas de aterramento de suas redes de distribuição, tais como condutores de cobre, de aço-cobreado e mesmo de aço galvanizado, com diferentes dimensionamentos.

A escolha do material e a definição do dimensionamento devem ter embasamento técnico. Aqui será apresentada uma sistemática para o dimensionamento dos condutores a serem utilizados nos sistemas de aterramento das redes de distribuição, com adequação técnica e redução de custos.

Toda a corrente a ser dissipada para a terra em situação de falta pode ser considerada, simplificadamente, por:

ats c RZ VI+= Equação 1 onde.

ΩΩ em oaterrament do aresistênci = em sistema do impedância = Volts em neutro-fase tensão= Amperes em falta de corrente = at s n c

Se considerarmos a pior situação de curto, ou seja, fase-terra (cabo de média tensão para a terra), e, ainda, barramento infinito (0=sZ), resistência de contato cabo/solo = zero, um único aterramento de 5Ω ( por exemplo) e resistência dos cabos até o ponto de falta = zero, tem-se, para um sistema de 13,2kV.

ccmáx R VI= Equação 2 onde:

máxccI =corrente de falta máxima em A Portanto, temos:

Este é um fator importante a ser considerado para o dimensionamento dos condutores, pois trata-se do tempo durante o qual estes serão solicitados pela corrente de falta.

Devemos considerar duas situações distintas quanto ao tempo de duração da corrente de falta, ou seja: atuação somente por elos fusíveis ou atuação por disjuntores na subestação, podendo ser tanto em redes de distribuição sem religadores automáticos quanto em redes com religamento automático.

Quando há religamento, para o nível de corrente de falta considerado, os equipamentos de proteção normalmente utilizados atuariam, interrompendo a falta num tempo inferior a meio segundo.

Assim, nas redes com religamento, que é o caso mais comum, tem-se a seguinte seqüência de operação: primeira operação do equipamento de operação; primeiro intervalo de rearme; segunda operação do equipamento de operação; segundo intervalo de rearme; e assim sucessivamente até o bloqueio de religamento, no caso de faltas permanentes.

Para o nível de corrente da falta considerado, os religadores normalmente utilizados atuam entre 0,1 e 0,5s, os intervalo de rearme são de ordem de 2s e o máximo de operação para o bloqueio é igual a quatro. Para as piores condições, ter-se-iam quatro operações temporizadas, de 0,5s cada.

Figura 1: Ciclos de aquecimento e resfriamento dos condutores com os religamentos no sistema, quando submetidos à corrente de falta

Efetuando-se um balanço energético em um seguimento do condutor, tem-se: dWdQ= dQ =quantidade de calor gerada:

onde:

m emcondutor do ocompriment= m² emcondutor do al transversseção= ra; temperatua com aresistênci da variaçãode ecoeficient=

C; em e C)20º (acondutor do aderesistivid condutor. do específico peso = s em tempode ldiferencia = A emcondutor pelo circula que corrente = Wemcondutor do ôhmica aresistênci = J em dissipada elétrica energia = Cº em ra temperatude ldiferencia = Cg/º emcondutor do específicocalor = g emcondutor do massa = dt I R dW d c m

Substituido as equações tem-se:

θαρ θγ que. integrando, conduz à fórmula:

r cK

Ft IS

20 Equação 3

onde,

1 Tabela conforme unidade, de sistema ao relativa constante = Cº condutor. do inicial atemperatur=

C .condutor pelo atingida final ra temperatu= f f

Para condutores monometálicos não-ferrosos, 1=rF. Para condutores ferrosos ou núcleo de aço ( aço cobreado e aço aluminizado), apresenta valores variando de

, dependendo da composição. Os dados para a utilização da equação estão rF 1,2 a 1 tabulados na Tabela 2 PERDAS DE CALOR DURANTE OS INTERVALOS DE REARME

Quando há religamento no sistema, a partir do primeiro religamento ocorrerá uma temperatura no cabo superior à temperatura normal de serviço iθ .

Essa temperatura depende do aquecimento do cabo (material de que este é composto, corrente de falta, tempo de eliminação e tempo de religamento) e da perda de calor devida a irradiação, convecção e condução.

As equações que regem o fenômeno do aquecimeto e do resfriamento são as que se seguem:

TEMPERATURA DO CABO APÓS A CIRCULAÇÃO DA CORRENTE DE FALTA DURANTE O TEMPO t

f i e Equação 4

A AcSl tTTA i Equação 5

2l =comprimento do volume do material absorvente da irradiação (m);

2d= diâmetro do volume de material absorvente da irradiação; γ=peso específico do material do condutor (g/cm³); c =calor específico do material do condutor (cal/g ºC); S=seção transversal do condutor (mm²); t =tempo de irradiação (S).

d dcS tcm c θθπγθ α Equação 6

Onde:

()cθ∆ = variação da temperatura por condução no sentido radial (ºC); mγ = coeficiente de condução ( 0,8 para o concreto e 0, 95 para a terra normal)(kcal/h.m.ºC); cθ= temperatura do condutor (ºC); aϑ= temperatura do meio absorvente da condução da calor (ºC);

1d= diâmetro do condutor (m);

2d = diâmetro do volume de material abaorvente da condução (m); c= calor específico do material do condutor (cal/g ºC); γ= peso específico do material do condutor (g/cm³); t= tempo de condução (s).

10 VARIAÇÃO DA TEMPERATURA POR CONVECÇÃO

Neste caso, pode ser desconsiderado o efeito da convecção, tendo em vista o contato direto do condutor com o solo ou com o concreto do poste.

Assim sendo, tem-se na Figura.1, o ciclo de aquecimento e esfriamento dos condutores de prumada e de interligação de eletrodos de um sistema de aterramento, quando submetido a corrente de falta com religamento.

As temperaturas 1θ, 3θ, 5θe fθ da Figura .1 podem ser calculadas por meio da equação 4, para uma determinada seção transversal; e as temperaturas 2θ, 4θ, e 6θ, com as equações 5 e 6, somando-se os efeitos de queda de temperatura pelo esfriamento devido a irradiação e condução no condutor, para intervalos de religamentos considerados.

A seguir, será determinada a bitola necessária para os condutores de prumada e de interligação dos eletrodos de um sistema de aterramento de uma rede de distribuição, consideradas as condições críticas de corrente de falta já apresentadas, para um sistema de energia elétrica com religamento automático.

Na distribuição de energia elétrica, está amplamente disseminada a aplicação de religadores automáticos, com intervalos de religamento (rearme) de 2 s.

Para os religadores convencionais e para o nível de corrente de falta considerado, os tempos críticos de atuação para o desligamento são de:

• 0,5 s para operações temporizadas. Tabela 1: Sistemas e unidades

Sistema→ Drandeza↓

MKS SI Imperial

I A Aγ kg/m³g/cm³Lb/pol³ A ºK ºCºF θ Ω.m²/mΩ.mm²/mΩ.C.mil/péρ ºK-1ºC-1ºF-1 t s s k 1 4,1868161,2 c Cal/kgºK Cal/gºC Btu/LbºF

Tabela 2: Dados característicos dos condutores (SI)

Caractéristicas→

Condutores↓ c γ α 20ρ

Tabela 3: Temperatura e bitolas dos condutores (religamento automático)

Material Temp. máxima admissível

Bitola crítica iθ 1θ 2θ 3θ 4θ

5θ 6θ fθ Conclusão

164,6 148,8 206,2 Aceitável com boa margem de segurança 437,6 386,7 624,4 Aceitável com boa margem de segurança 211,5 198,9 280 Aceitável com boa margem de segurança 662,6 582,9 1018,8 Não aceitável (amolece)

Para um sistema de 13,2 kV e observando-se as considerações apresentadas, têm-se situações descritas a seguir: (Obs.: para o cabo de aço-cobreado, a temperatura final foi considerada como 800ºC, pois, a partir de 850ºC, esse tipo de condutor perde sua rigidez mecânica.)

12 l. Sistemas sem religamento

Ciº40=θ

(b) para cabo de aço-cobreado, 30% de condutividade IACS: AI1524=

Ciº40=θ

(c) para cabo de aço-cobreado, 40% IACS: AI1524=

Ciº40=θ

2. Sistemas com religamento

Levando-se em conta a possibilidade de ajuste em quatro operações temporizadas, tem-se então a tabela I como resultado das condições acima dispostas.

As conexões cabo-cabo, cabo-haste fazem parte integrante do sistema de aterramento e deverão suportar as correntes de falta durante os tempos considerados sem ter alterado suas características mecânicas ou elétricas. Deverão ainda apresentar resistência elétrica própria e resistência elétrica de contato desprezível, visando minimizar o efeito Joule.

constituintes do sistema de aterramento

Na norma IEEE-80, consideram-se as conexões exotérmicas como "só cabos", tendo em vista seu desempenho nos ensaios efetuados. Ou seja, um sistema de aterramento onde se utilizam conexões, exotérmicas pode ser considerado como se os cabos e eletrodos utilizados fossem contínuos. Assim sendo, o dimensionamento apresentado para os condutores não depende das conexões, entre os elementos

Grande parte das concessionárias de energia elétrica utilizam cabo de cobre nú #2 AWG ou 25mm², superdimensionando a instalação, quando poderiam utilizar as seguintes bitolas para os diversos tipos de materiais:

• fio de cobre nú, # 6 AWG ou 10 mm².

• fio de aço-cobreado 40% IACS, # 6 AWG ou 10 mm².

• fio de aço-cobreado 30% IACS, # 4 AWG ou 16 mm².

• cordoalha de aço-cobreado 30% IACS, 16 mm², formação sete fios.

A escolha das bitolas alternativas dependerá de uma análise econômica. As bitolas apresentadas são para as situações, críticas, tendo em vista a possibilidade de introdução de religadores automáticos no sistema de linhas de distribuição.

Os fios e as cordoalhas de aço-cobreado são consagrados e já têm sido adotados, como se verifica a seguir:

• o Sistema Telebrás publicou a prática 235-610-709, que institiu o cabo de açocobreado formação três fios, #9 AWG, 30% IACS (recozido), equivalente à bitola #4 AWG e/ou 16 mm².

• a CESP utiliza o fio de aço-cobreado # 4 AWG, 30% IACS;

• a COPEL utiliza o fio de aço-cobreado 16 mm², 40% IACS;

• a CEMIG e a Eletronorte utilizam como contrapeso em LT's o aço-cobre # 4 AWG, 30% IACS; Para prumadas de aterramento em redes de distribuição, o material de melhor comportamento seria a cordoalha de aço-cobreada de 16 mm², de 30% ou 40% IACS do tipo recozido (LCA), tendo em vista a praticidade de instalação, devido à sua maleabilidade, além do que o material aço-cobreado não é susceptível ao roubo, dada a dificuldade em se separar o cobre do aço.

2. SELEÇÃO DOS CONDUTORES NO PROJETO DE ATERRAMENTO DE SISTEMAS ELETRÔNICOS

O aterramento e a instalação de equipamentos eletrônicos são fatores primordiais para a correta operação de sistemas computadorizados. Um dos elementos importantes nestes procedimentos é a escolha dos condutores, considerando o seu desempenho em altas freqüências.

Normalmente, o instalador está habituado a tratar condutores como se fossem simplesmente um elemento resistivo, operando com freqüência de 60 Hz. Assim, a seleção do condutor está geralmente relacionada com a máxima queda de tensão permissível ou aos efeitos térmicos devido à perda de potência. Do ponto de vista de frequências maiores (tipicamente acima de 100kHz), outros parâmetros são extremamente relevantes, tais como:

• distorção da frente de onda devido ao efeito pelicular; e

• não linearidades devidas à corrosão. Assim sendo, a impedância de um condutor é dada por:

()(intextcaou ccLLjwRZ++=) Equação 7 onde: ⎩⎨⎧ indutância de valoresos representa =L condutor o percorre que sinal doangular frequência a é = w

A indutância externa é a maior causa de efeitos parasitas indesejáveis e é explicada pelo seguinte fenômeno:

Qualquer mudança de corrente causa uma alteração de fluxo magnético, que por sua vez, induz uma força eletromotriz reversa no condutor original. Mas, desde que um condutor não pode conduzir corrente sem um tipo de caminho de retorno, então a indutância externa só pode ser definida para uma dada geometria, como, por exemplo, a distância entre o condutor em questão e o plano (ou condutor) de retorno.

A Figura 2 ilustra algumas formulações matemáticas para o cálculo desta auto- indutância.

As equações referentes a são as seguintes: extL

16 para um fio e (ou ), wlh<wlD2<

para ou (), wlh>wlD2>

onde:

m em fio, do ocompriment m em fio diâmetro m em terra,de plano do altura d h

Figura 2: Auto-indutância de condutores sólidos para ambas configurações: quando ou wlh>wld2>

A equação 8 mostra que um aumento de para um dado diâmetro d aumenta . Pode parecer que este aumento ocorre indefinidamente, mas acima de uma certa altura (Exatamente quando é igual ), o fluxo produzido pela corrente fica não uniforme. Exatamente neste ponto, a equação 9 (representativa de indutância no espaço livre) passa a ser aplicada. Assim sendo, quanto maior for o diâmetro do fio, menor será a auto-indutância . Entretanto, não muda significativamente com o diâmetro, pois ha uma relação logarítmica entre eles. Dessa forma, por exemplo, um aumento de h L h wl extL extL

10 vezes no diâmetro reduz por um fator de 2. Consequentemente, muitas vezes, o instalador ou encarregado de manutenção não consegue eliminar problemas de ruído no terra simplesmente com o aumento do diâmetro do fio.

extL

A indutância interna é resultado dos efeitos dos campos magnéticos internamente ao próprio condutor. Assim, está intimamente relacionada com efeito pelicular, pois os dois fenõmenos são interativos. Em baixas freqüências, a densidade de corrente é uniforme.

Quando a freqüência do sinal aumenta, há uma concentração de corrente na periferia do condutor (efeito pelicular), com a conseqüente concentração de campo magnético na superfície e, portanto, a indutância , também diminui. intL

Para sinais C ou de baixas freqüências, o valor de e dado por: intL

wlL05,0int=em Hµ Equação 1 À medida que a frequência aumenta, diminui a aproxima-se assintoticamente de um valor que é aproximadamente igual a da equação

1. Os valores de freqüência em que se atinge para alguns condutores típicos são os seguintes:

intL intHFL int025,0 L intHFL

• cabo coaxial de 40Ω: 65 kHz;

• cabo paralelo com diâmetro de fio de 1mm e fios separados de 2mm: 27 kHz.

Assim, no projeto e dimensionamento de aterramentos de sistemas eletrônicos, devem ser considerados todos os elementos componentes dos condutores, pois em freqüências elevadas um mesmo condutor pode apresentar baixa resistência e alta impedância, distorcendo assim o comportamento esperado do sistema de aterramento e causando falhas de operação dos equipamentos eletrônicos.

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