Sistemas de Aterramento em Instalações Elétricas Prediais

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 75 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom 6 Sistemas de Aterramento O termo aterramento se refere à terra propriamente dita ou a uma grande massa que se utiliza em seu lugar Quando falamos que algo está aterrado quere mos dizer então que pelo menos um de seus elementos está propositalmente ligado à terra Em geral os sistemas elétricos não precisam estar ligados à terra para funcio narem e de fato nem todos os sistemas elétricos são aterrados Mas nos sistemas elétricos quando designamos as tensões geralmente elas são referidas à terra Dessa forma a terra representa um ponto de referência ou um ponto de potencial zero ao qual todas as outras tensões são referidas A terra portanto é uma boa escolha como ponto de referência zero uma vez que ela nos circunda em todos os lugares Quando alguém está de pé em contato com a terra seu corpo está aproxima damente no potencial da terra Se a estrutura metálica de uma edificação está ater rada então todos os seus componentes metálicos estão aproximadamente no poten cial de terra 62 Objetivos do aterramento Aterrar o sistema ou seja ligar intencionalmente uma estrutura ou o condutor neutro à terra tem por objetivo controlar a tensão em relação à terra dentro de limites previsíveis Esse aterramento também fornece um caminho para a circulação de cor rente que irá permitir a deteção de uma ligação indesejada entre os condutores vivos e a terra Isso provocará a operação de dispositivos automáticos que removerão a tensão nesses condutores O controle dessas tensões em relação à terra limita o esforço de tensão na isolação dos condutores diminui as interferências eletromagnéticas e permite a redu ção dos perigos de choque para as pessoas que poderiam entrar em contato com os condutores vivos O primeiro objetivo do aterramento dos sistemas elétricos é proteger as pessoas e o patrimônio contra uma falta curtocircuito na instalação CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 76 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom A conexão dos equipamentos elétricos ao sistema de aterramento deve permitir que caso ocorra uma falha na isolação dos equipamentos a corrente de falta passe através do condutor de aterramento ao invés de percorrer o corpo de uma pessoa que eventualmente esteja tocando o equipamento Figura 46 Individuo sobre uma malha de aterramento Fonte wwwprocobrebrasilorg O sistema de aterramento deve oferecer um percurso de baixa impedância de retorno para a terra da corrente de falta permitindo assim que haja a operação au tomática rápida e segura do sistema de proteção O aterramento deve escoar cargas estáticas acumuladas em estruturas supor tes e carcaças dos equipamentos em geral Um exemplo da aplicação do aterramento para escoar cargas estáticas é a sua utilização no momento de carga e descarga de caminhões tanques que transportam combustíveis durante o transporte a carcaça do caminhão em atrito com o vento se carrega de cargas estáticas devido o isolamento dos pneus ao chegar no local de descarga o caminhão precisa ser aterrado O segundo objetivo de um sistema de aterramento é oferecer um caminho seguro controlado e de baixa impedância em direção à terra para as correntes induzidas por descargas atmosféricas 63 Proteção contra contatos indiretos O acidente mais comum a que estão submetidas as pessoas é o toque aciden tal em partes metálicas energizadas ficando o corpo ligado eletricamente sob tensão entre fase e terra CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 77 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom O limite de corrente alternada suportada pelo corpo humano é de 25 mA sendo que na faixa entre 15 e 25 mA o indivíduo sente dificuldades em soltar o objeto ener gizado Entre 15 e 80 mA o indivíduo é acometido de grandes contrações e asfixia Acima de 80 mA até a ordem de grandeza de poucos ampères o indivíduo sofre graves lesões musculares e queimaduras além de asfixia imediata Acima disso as queimaduras são intensas o sangue sofre o processo de eletrólise a asfixia é imedi ata e há necrose dos tecidos A gravidade dessas lesões depende do tempo de exposição do corpo humano à corrente elétrica Se uma pessoa toca um equipamento sujeito a uma tensão de contato pode ser estabelecida uma tensão entre mãos e pés chamada de tensão de toque Em consequência poderemos ter a passagem de uma corrente elétrica pelo braço tronco e pernas cuja duração e intensidade poderão provocar fibrilação cardíaca queima duras ou outras lesões graves ao organismo Além do toque involuntário existe a possibilidade de exposição a uma descarga elétrica através do evento chamado Tensão de Passo Quando uma corrente elétrica é descarregada para o solo ocorre uma elevação do potencial em torno do eletrodo de aterramento formandose um gradiente distri buição de queda de tensão cujo ponto máximo está junto ao eletrodo e o ponto mí nimo muito afastado dele Se uma pessoa estiver em pé em qualquer ponto dentro da região onde há essa distribuição de potencial entre seus pés haverá uma diferença de potencial cha mada de tensão de passo a qual é geralmente definida para uma distância entre pés de 1 metro Consequentemente poderá haver a circulação de uma corrente através das duas pernas geralmente de menor valor do que aquele no caso da tensão de toque porém ainda assim desagradável e que deve ser evitada Uma malha de aterramento precisa ser projetada de forma que o risco de ten são de passo seja mitigado uma malha na saída de um elevador em frente a um vão de escada ou em frente ao acesso de pedestres deve ser verificada CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 78 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom Figura 47 Individuo sobre uma malha de aterramento Fonte Mamede Filho 2017 A descarga atmosfera também pode provocar a tensão de passo ao ocorrer uma descarga o entorno do ponto atingido momentaneamente se torna uma área com variação de potencial conforme apresentado pela figura 48 Figura 48 Tensão de passo Fonte Mamede Filho 2017 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 79 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom 64 Ligação a Terra O objetivo mais amplo de um sistema de aterramento é o de se obter o mais possível uma condição de diferença de potencial zero chamada de equipotenciali dade entre os condutores de proteção dos equipamentos as carcaças dos equipa mentos os condutos metálicos e todas as demais massas condutoras da edificação incluindo as suas ferragens estruturais e tubulações metálicas Para qualquer pessoa dentro da edificação mesmo se houver um aumento do potencial dos elementos mencionados em relação ao potencial de terra não haverá o risco de choque elétrico uma vez que todos os elementos estarão referidos ao mesmo potencial Os condutores de aterramento devem ser instalados próximos aos condutores vivos dos circuitos e não devem ser percorridos por correntes de carga normais da instalação Com isso eles irão manter a diferença de potencial zero desejada entre os diversos equipamentos Apenas quando da ocorrência de uma falta é que irá cir cular uma corrente pelos condutores de aterramento ocasião em que serão observa das diferenças de potencial no sistema A terra em si é um condutor elétrico muito ruim cuja resistividade é da ordem de um bilhão de vezes maior do que a de um condutor de cobre A resistência de aterramento pode ser imaginada como sendo a soma de várias resistências em série cada uma relativa a uma camada cilíndrica de terra Na prática metade da resistência total de aterramento concentrase na vizi nhança imediata 15cm do eletrodo de aterramento Imagine uma resistência de ater ramento de 25Ω e uma corrente de 1000A fluindo por ela Temos então entre o ponto de injeção da corrente no solo e 15cm dela uma diferença de potencial de 12500V 25Ω 2 x 1000A Uma pessoa em pé nessa região estará submetida a essa tensão de passo figura 49a A colocação de uma malha metálica aterrada nessa região à qual estejam li gadas todas as carcaças metálicas assegurará uma equipotencialidade e afastará a CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 80 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom possibilidade da ocorrência de uma tensão de passo ou de toque perigosa figura 49b Figura 49 Tensão desenvolvida na vizinhança de um eletrodo ou malha Fonte wwwprocobrebrasilorg 65 Tipos de eletrodos Basicamente os eletrodos de aterramento podem ser divididos em alguns ti pos a saber a Eletrodos existentes naturais Prédios com estruturas metálicas são normalmente fixados por meio de lon gos parafusos a seus pés nas fundações de concreto Esses parafusos en gastados no concreto servem como eletrodos enquanto que a estrutura me tálica funciona como condutor de aterramento Na utilização desse sistema devese assegurar que haja uma perfeita con tinuidade entre todas as partes metálicas verificase a resistência de ater ramento Também deve ser realizada a ligação equipotencial entre as par tes metálicas que eventualmente possam estar desconectadas da estru tura principal b Eletrodos fabricados CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 81 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom Normalmente são hastes de aterramento Quando o solo permite geral mente é mais satisfatório o uso de poucas hastes profundas do que muitas hastes curtas c Eletrodos encapsulados em concreto O concreto em contato com o solo é um meio semicondutor com resistivi dade da ordem de 3000Ωcm a 20 C muito melhor do que o solo propria mente dito Dessa forma a utilização dos próprios ferros da armadura da edificação colocados no interior do concreto das fundações representa uma solução pronta e de ótimos resultados Qualquer que seja o tipo de fundação devese assegurar a interligação en tre os ferros das diversas sapatas formando assim um anel Essa interliga ção pode ser feita com o próprio ferro da estrutura embutido em concreto ou por meio do uso de cabo cobre A resistência de aterramento total obtida com o uso da ferragem da estrutura ligada em anel é muito baixa geral mente menor do que 1Ω e frequentemente ao redor de 025Ω Observese que apenas os ferros da periferia da edificação são efetivos sendo muito pequena a contribuição da estrutura interna d Outros eletrodos Quando o terreno é muito rochoso ou arenoso o solo tende a ser muito seco e de alta resistividade Caso não seja viável o uso das fundações como ele trodo de aterramento fitas metálicas ou cabos enterrados são soluções ade quadas técnica e economicamente A profundidade de instalação desses eletrodos assim como as suas dimensões influencia muito pouco na resis tência de aterramento final 66 Conexões aos eletrodos As conexões dos condutores de aterramento aos eletrodos são realizadas ge nericamente por três sistemas a Dispositivos mecânicos São facilmente encontrados simples de instalar e podem ser desconectados para efeitos de medição de resistência de ater ramento Apresentam um desempenho histórico satisfatório Apesar de CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 82 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom apresentarem às vezes problemas de corrosão se devidamente protegi das essas conexões podem desempenhar um bom papel Recomendase que tais conexões estejam sempre acessíveis para inspeção e manutenção b Solda exotérmica Esse método realiza uma conexão permanente e praticamente elimina a resistência de contato e os problemas de corrosão sendo ideal para as li gações diretamente no solo Requer o emprego de mãodeobra especiali zada e não pode ser utilizada em locais onde haja a presença de misturas explosivas c Conexões por compressão É fácil de instalar apresenta uma baixa resistência de contato porém não podem ser desconectados para as medições de resistência de aterramento 67 O aterramento e os diversos sistemas de proteção O aterramento está presente em diversos sistemas de proteção dentro de uma instalação elétrica proteção contra choques contra descargas atmosféricas contra sobretensões proteção de linhas de sinais e de equipamentos eletrônicos e proteções contra descargas eletrostáticas Normalmente estudase cada proteção mencionada separadamente o que leva em alguns casos a imaginar que se tratam de sistemas completamente separa dos de proteção Isso não é verdade Para efeito de compreensão é conveniente se parar os casos porém na execução dos sistemas o que existe é um único aterra mento CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 83 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom 671 Proteção contra choques elétricos Quando se fala em proteger as pessoas contra choques elétricos devese lem brar que o perigo está presente quando o corpo da pessoa está sendo percorrido por uma corrente elétrica superior a um dado valor por um tempo maior do que o supor tável Essa dependência correntetempo pode ser observada na figura 50 obtido a partir de estudos realizados pela International Electrotechnical Commission IEC Figura 50 Zonas tempocorrente de efeitos de corrente alternada 15 a 100Hz sobre pessoas Fonte wwwprocobrebrasilorg Como a questão é limitar ou eliminar a corrente que atravessa o corpo ou permitir que ela circule apenas durante um tempo determinado temos que agir sobre essas duas variáveis para enfrentar o problema do choque Os mesmos estudos realizados pela IEC concluíram que as pessoas estão li vres de choques perigosos se estiverem submetidas a tensões elétricas inferiores a CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 84 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom 50V alternados ou 120V contínuos na situação 1 e 25V alternados ou 60V con tínuos na situação 2 A situação 1 corresponde a locais normais como quartos salas cozinhas lojas escritórios e na maior parte dos locais industriais A situação 2 abrange áreas externas locais molhados banheiros campings etc Assim sendo se alimentarmos uma instalação ou um setor da instalação com tensões inferiores às mencionadas garantimos a proteção das pessoas contra cho ques perigosos Infelizmente na prática poucos aparelhos podem ser alimentados nessas con dições uma vez que o usual é dispormos de tensões de 127 220 380 e 440V A alimentação em tensões inferiores a 50 e 25V limitase geralmente a aparelhos de iluminação subaquáticos e alguns comandos uma vez que admitimos que os conceitos de proteção relacionados a isola mento das partes condutoras e limitação de tenção têm restrições práticas de aplica ção o caso mais comum é aquele em que se admite que pode haver a circulação de correntes perigosas e que elas devem ser desviadas do corpo humano e desligadas o mais rapidamente possível Assim sendo nessas circunstâncias o conceito básico da proteção das pessoas contra choques elétricos é o de que as massas da instalação devem ser aterradas e que deve haver um dispositivo de seccionamento automático da alimentação quando da presença de correntes tensões perigosas para os usuá rios Dependendo da maneira como o sistema é aterrado e qual é o dispositivo de proteção utilizado os esquemas de aterramento em baixa tensão são classificados pela NBR 541004 em três tipos TT TN e IT ESQUEMA TT O neutro da fonte é ligado diretamente à terra estando as massas da instalação ligadas a um eletrodo de aterramento independente do eletrodo da fonte figura 51 Nesse caso o percurso de uma corrente fasemassa inclui a terra o que limita em CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 85 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom muito o valor da corrente devido ao elevado valor da resistência de terra Essa cor rente é insuficiente para acionar disjuntores ou fusíveis mas suficiente para colocar em perigo uma pessoa Portanto ela deve ser detectada e eliminada por dispositivos mais sensíveis geralmente chamados de interruptores diferenciais residuais DRs Figura 51 Esquema de aterramento TT Fonte wwwprocobrebrasilorg ESQUEMA TN O neutro da fonte é ligado diretamente à terra estando as massas da instalação ligadas a esses pontos por meio de condutores metálicos condutor de proteção con forme figura 52 Nesse caso o percurso de uma corrente fasemassa é de baixíssima impedân cia cobre e a corrente pode atingir valores elevados suficientes para serem detec tados e interrompidos por disjuntores ou fusíveis O esquema pode ser do tipo TNS quando as funções de neutro e proteção forem realizadas por condutores separados N neutro e PE proteção ou TNC CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 86 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom quando essas funções forem realizadas pelo mesmo condutor PEN Há ainda o es quema misto chamado de TNCS No Brasil o esquema TN é o mais comum quando se tratam de instalações alimentadas diretamente pela rede pública de baixa tensão da concessionária de ener gia elétrica Nesse caso quase sempre a instalação é do tipo TNC até a entrada Aí o neutro é aterrado por razões funcionais e segue para o interior da instalação separado do condutor de proteção TNS É fácil observar que caso haja a perda do neutro antes da entrada consumidora por exemplo com o rompimento do neutro devido a um acidente com caminhão ou ônibus o sistema irá se transformar em TT Isso nos leva a conclusão de que mesmo em sistemas TN é conveniente uti lizar dispositivos DR para garantir a proteção das pessoas contra choques elétricos Figura 52 Esquema de aterramento TN Fonte wwwprocobrebrasilorg ESQUEMA IT É um esquema parecido com o TT porém o aterramento da fonte é realizado através da inserção de uma impedância de valor elevado resistência ou indutância CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 87 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom conforme figura 53 Com isso limitase a corrente de falta a um valor desejado de forma a não permitir que uma primeira falta desligue o sistema Geralmente essa corrente não é perigosa para as pessoas mas como a instalação estará operando em condição de falta devem ser utilizados dispositivos que monitorem a isolação dos condutores evitando a excessiva degradação dos componentes da instalação O uso dos sistemas IT é restrito aos casos onde uma primeira falha não pode desligar imediatamente a alimentação interrompendo processos importantes como em salas cirúrgicas certos processos metalúrgicos etc Figura 53 Esquema de aterramento IT Fonte wwwprocobrebrasilorg ASSISTIR VÍDEO COMPLEMENTAR VÍDEO 25 Aterramento CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 88 Professor Joildo Fernandes joildounecgmailcom REFERÊNCIAS CREDER Hélio Instalações elétricas 16 ed Rio de Janeiro LTC 2016 CRUZ Eduardo César A Circuitos Elétricos Análise em Corrente Contínua e Alter nada São Paulo Editora Saraiva 2014 DORF Richard C SVOBODA James A Introdução aos circuitos elétricos 9 ed São Paulo LTC 2016 MAMEDE FILHO João Instalações elétricas industriais 9 ed Rio de Janeiro LTC 2017 NISKIER Julio MACINTYRE Archibald Instalações elétricas 7 ed Rio de Janeiro LTC 2021 SADIKU Matthew NO ALEXANDER Charles K MUSA Sarhan Análise de circui tos elétricos com aplicações Porto Alegre AMGH 2014 SERWAY Raymond A JEWETT JR John W Física para cientistas e engenheiros v3 eletricidade e magnetismo 2 ed São Paulo Cengage Learning 2017