Aula 6 Sobretensões, coordenação e aterramento de elétricas na rede

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Subestação
Aula 6: Sobretensões, coordenação e aterramento de elétricas
na rede
Apresentação
Nesta aula, abordaremos as sobretensões na rede, originada por descargas atmosféricas. Também veremos como a onda
de tensão proveniente de uma descarga se comporta. Além disso, trataremos das sobretensões geradas por manobras de
redes e defeitos monofásicos.
Falaremos da seletividade da proteção, dos requisitos de uma proteção primária ou de primeira linha e da proteção de
segunda linha ou de retaguarda.
Abordaremos o aterramento e suas normas pertinentes, conheceremos os materiais que compõe um aterramento, suas
bitolas mínimas, os tipos de conexão entre cabo e hastes de aterramento. Por último, conheceremos as metodologias
para avaliação e medição do aterramento constantes na NBR 15479/2009.
Objetivos
Descrever as sobretensões e sua origem;
Demonstrar as sobretensões por descargas atmosféricas, por chaveamento e por defeitos monopolares;
Reconhecer as funções do aterramento e suas formas de medição.
Sobretensões em sistemas elétricos
Os sistemas elétricos estão sujeitos a sobretensões diversas, de origem natural (descarga atmosférica) ou não (defeitos,
curtos-circuitos, chaveamentos), que, se não controlados, podem resultar em colapso do sistema elétrico. Para que o sistema
elétrico funcione adequadamente, é necessário que sejam dimensionados sistemas de proteções adequados para cada evento
indesejado.
Estudo das sobretensões
Os sistemas elétricos são projetados para uma tensão
nominal: a tensão limite de trabalho ou operação da rede.
Usualmente, os sistemas são projetados para suportar uma
sobretensão de 10% da tensão nominal ou 1,1pu. Na
ocorrência de uma sobretensão a partir desse valor, devem
ser acionados os dispositivos de proteção da rede.
As sobretensões podem ter origem nas descargas
atmosféricas, nos chaveamentos e em circuitos
monopolares.
Fonte: Shuttershock por T VECTOR ICONS
Sobretensões por descargas
atmosféricas
Anteriormente, tratamos um pouco sobre a formação das
descargas atmosféricas, cabendo relembrar que se trata de
um fenômeno de deslocamento de caras elétricas, com
grande potencial elétrico e alta corrente, que ocorre no
rompimento do dielétrico (neste caso, o ar), entre a nuvem,
polarizada e o solo.
Em 90% dos casos, os raios são tipo nuvem-solo, de
polaridade negativa, com trajetória não retilínea, com
ramificações até próximo ao solo em que a descarga em
direção à terra encontra uma descarga ascendente,
normalmente a poucas dezenas de metros do solo,
constituída de cargas positivas na maioria das vezes (já que
a descarga descendente é negativa).
Fonte: Shuttershock por gui jun peng
Na ocorrência da primeira descarga,ocorre a ionização do ar ao redor do fluxo de cargas,reduzindo ainda mais a rigidez
dielétrica e transformando o percurso do raio em uma espécie de condutor elétrico, que facilita a ocorrência de sucessivas
descargas em período muito pequeno de tempo.
As sobretensões por descargas atmosféricas podem ser diretas ou
induzidas, sendo o número de sobretensões induzidas na rede superior ao
número de sobretensões por descarga atmosférica. A presença de um
condutor de aterramento, ou neutro, reduz em 40% a amplitude das
sobretensões por descargas atmosféricas induzidas.
A onda de sobretensão originada por descarga atmosférica, direta na rede ou no solo próximo, se propaga ao longo dos
condutores de fase no sentido do gerador e no sentido da carga. A onda de corrente também é análoga à onda de tensão.
Quando a amplitude de tensão é superior à tensão suportável de impulso dos isoladores, ocorre uma disrupção, que percorre o
isolador até a terra ou entre fases, o que causa a redução da amplitude da onda viajante desde o primeiro poste ou estrutura
mais próxima do ponto de impacto da descarga ou do ponto de indução para descargas indiretas. As ondas de sobretensão
possuem taxas de crescimento elevadas e alto módulo, porém, devido a essas disrupções nos isoladores, a forma de onda da
sobretensão assemelha-se a um dente de serra.
As ondas de tensão viajantes dependem de vários fatores, como a taxa de crescimento da onda. A amplitude da onda depende
também da intensidade de corrente da descarga atmosférica, das disrupções que influenciam na forma de onda e do valor da
resistência de aterramento de cada estrutura.
A cada mudança de impedância da rede, ocorre uma reflexão de parte da onda modificando a onda resultante. Essa
modificação é causada, principalmente, por emendas e trechos com cabos que possuem impedâncias diferentes.
As redes de baixa tensão (BT) são afetadas da mesma forma que as redes de alta tensão com relação as sobretensões. A
diferença é a existência do condutor neutro, instalado acima dos condutores de fase, onde normalmente são aterrados de 100
em 100 metros, o que influencia nas sobretensões, pois a resistência do aterramento de cada ponto, que possui valor médio
entre 10 a 30 Ω.
Dica
Nas redes BT, onde existe a probabilidade de um surto entrar na unidade consumidora, a proteção é feita, principalmente, pelos
dispositivos protetores de surto (DPS), cujas características técnicas de dimensionamento e instalação podem ser encontradas
na NBR 5419/2015-4.
Atividade
1. Complete as sentenças abaixo.
Na maioria dos casos, ________, os raios são tipo nuvem-solo de polaridade negativa, com trajetória não retilínea.
A presença de um condutor de aterramento, ou neutro, reduz em __________ a amplitude das sobretensões por descargas
atmosféricas induzidas.
A onda de sobretensão originada por descarga atmosférica direta na rede ou no solo próximo, se propaga ao longo dos
condutores de fase no sentido do ___________ e no sentido da carga.
As ondas de sobretensão possuem taxas de crescimento elevada e alto módulo, porém, devido a essas disrupções nos
isoladores, a forma de onda da sobretensão torna-se um ____________.
A sequência que completa corretamente as lacunas é:
a) 90%, 40%, gerador, dente de serra.
b) 80%, 40%, consumidor, degrau.
c) 90%, 30%, aterramento, senoide.
d) 60%, 30%, neutro, exponencial.
e) 70%, 35%, disjuntor geral, degrau unitário.
Sobretensões por chaveamento
As sobretensões por chaveamento são originadas pela manobra de cargas, especialmente as de maior potência, quando esses
desligamentos são intempestivos, ou seja, a carga entra e sai várias vezes em um curto período ou pela perda de sincronismo
entre sistemas conectados.
Outras sobretensões de menor amplitude podem ser geradas por ocasião de:

Atuação da proteção na ocorrência de um curto circuito.

Na entrada ou saída de banco de capacitores ou de
reatores.

Energização de transformadores (transformadores de
potência elevada) e linhas de transmissão (na energização
ou religamento).

Em caso de ocorrência de ressonância.
Proteção contra sobretensões por chaveamento
Um bom projeto para proteção inclui a aplicação de premissas básicas para evitar a descontinuidade do fornecimento de
energia, mesmo na ocorrência do evento indesejado. Os equipamentos utilizados para a regulação da tensão, como os
reguladores de tensão e comutadores, devem atuar apenas para reduzir a sobretensão ao nível de 1pu ou no máximo de 1,1pu.
A sobretensão tem valor máximo no local onde ocorre o evento e se atenua quando a onda trafega pela rede. Num ponto
remoto do sistema, a proteção poderá atuar retirando um trecho pela atuação do seccionador, sem grandes prejuízos.
Veja, a seguir, alguns critérios básicos para a proteção:
Primeiramente, seccionar a fonte geradora de energia situada mais próximo ao ponto da ocorrência do
evento gerador da sobretensão, de forma que a potência desligada seja o suficiente para reduzir a
tensão ao nível nominal de trabalho.
Retirar os bancos de capacitores do sistema. Normalmente, a injeção de capacitivo na rede causa um
aumento natural da tensão do sistema, especialmente no ponto de conexão dos capacitores. Com a
retirada dos bancos, é possível que a tensão caia a níveis satisfatórios,não sendo mais requerido
qualquer outra ação.
Bloquear religadores automáticos, principalmente se for a linha onde houve o evento.
Transformadores dotados de comutadores automáticos devem estar ligados na unidade temporizada.
Ajustar relés de sobretensão de forma seletiva (com intervalos diferentes para atuação somente do
mais próximo ao defeito).
Como os equipamentos normalmente suportam sobretensão de 1,2pu de tensão por um minuto, os
relés de proteção instantâneos devem estar ajustados para valores iguais ou maiores que esse.

O ajuste dos relés de sobretensão devem ser de 1,15pu de tensão e os comutadores para 1,1pu de
tensão. fazendo com que a sobretensão seja atenuada pelo comutador.
Considerar qualquer carregamento da linha (leve ou carga nominal) para ajuste dos relés.
Defeitos monopolares
Quando o sistema é aterrado com alta impedância, o defeito fase e terra pode gerar sobretensão que chega ao valor de
amplitude da tensão nominal do sistema. Neste caso, os para-raios de linha devem estar dimensionados para não atuarem
nessa condição.
Atividade
2. Complete as sentenças sobre as sobretensões oriundas de chaveamentos:
“Outras sobretensões de menor amplitude podem ser geradas por ocasião de:
Atuação da _______ na ocorrência de um curto circuito;
Na entrada ou saída de banco de capacitores ou de _____________ ;
Energização de ____________ e linhas de transmissão (na energização ou religamento);
Em caso de ocorrência de ____________ ;”
A sequência que completa corretamente as lacunas é:
a) Chave fusível, transformadores, redes, curtos.
b) Religação, redes, capacitores; sobrecargas.
c) Proteção, reatores, transformadores; ressonância.
d) Chave de manobra, linhas, reatores; anomalias.
e) Rede, transformadores, motores; curtos.
Seletividade da proteção
Podemos definir a seletividade como a capacidade do sistema quando um evento indesejado desligar somente a parte com a
falta, deixando as demais partes não afetadas com tensão. As proteções são divididas por zonas sendo:
Proteção de primeira linha ou principal
Como diz o nome, é a primeira proteção que irá atuar no caso do evento. Para isso, deve ter ajuste bem definido para que,
caso o defeito ocorra dentro de sua zona de proteção, este atue resguardando o resto do sistema.
Proteção de segunda linha ou de retaguarda
É uma proteção “reserva” para caso de falha da primeira, sendo responsável pela desconexão da parte afetada antes que o
sistema protegido seja danificado. O sistema deve ser ajustado com um tempo que permita a atuação da proteção
principal primeiramente.
 Diagrama unifilar com proteções. Fonte: Sba Controle & Automação vol.23 no.2 Campinas Mar./Apr. 2012..
A proteção de retaguarda pode ser do tipo local ou remota ou ambas, sendo bastante aplicada nas redes com tensão a partir
de 230kV, onde a ocorrência de danos ao sistema pode causar desligamentos em áreas grandes do sistema elétrico nacional e
os arranjos das subestações são mais complexos, exigindo projetos de proteção mais elaborados.
A proteção remota é utilizada caso o projetista deseje que a proteção de primeira linha seja independente da proteção de
segunda linha.
Aterramento
Como vimos até agora, a proteção é parte fundamental de um sistema elétrico. Para correto funcionamento da proteção das
sobretensões, um bom aterramento é fundamental. Algumas das normas da NBR que tratam sobre aterramento são:
NBR 5419/2015
Trata sobre proteção de estruturas contra descargas atmosféricas e é aplicável aos sistemas elétricos já que postes, estruturas
e cabos podem ser atingidos por descargas atmosféricas. Esta norma não fixa valores máximos de resistência de aterramento,
ficando este à cargo do engenheiro projetista ou do responsável pela medição de resistência de aterramento do sistema.
As bitolas mínimas para a malha de aterramento nesta NBR são dadas pela tabela 7 do volume 3, sendo de 50mm2 para cabos
encordoados de cobre e 70mm2 para cabos encordoados de aço galvanizado a fogo.
A tabela a seguir apresenta a configuração e dimensões mínimas de eletrodo de aterramento de acordo com o material
utilizado.
Material Configuração Dimensões mínimas Comentários
Eletrodo cravado
(Diâmetro)
Eletrodo não
cravado
Cobre Encordoado - 50 mm Diâmetro de cada fio cordoalha
3 mm
Arredondado
maciço
- 50 mm Diâmetro 8 mm
Fita maciça - 50 mm Espessura 2 mm
Arredondado maciço 15 mm -
Tubo 20 mm - Espessura da parede 2 mm
Aço galvanizado à
quente
Arredondado
maciço
16 mm Diâmetro 10 mm _
Tubo 25 mm _ Espessura da parede 2 mm
Fita maciça - 90 mm Espessura 3 mm
Encordoado - 70 mm _
f f
c 2
c
2
c 2
a, b
a, b
a 2
2
javascript:void(0);
Aço cobreado Arredondado
Maciço
Encordoado
12,7 mm 70 mm Diâmetro de cada fio cordoalha
3,45 mm
Aço inoxidável Arredondado maciço
Fita maciça
15 mm Diâmetro 10 mm
100 mm
Espessura mínima 2 mm
Bitolas mínimas para eletrodos de aterramento. Fonte: NBR5419/2015-3.
d
g
2
e
2
 Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal
O projeto e arranjo do aterramento é trabalho para o projetista que, em função da resistividade do solo, determina o arranjo da
malha para obter o valor desejado da resistência de aterramento.
A norma também determina os tipos de conectores utilizados para conexão entre cabos de aterramento e entre cabos e
eletrodos (hastes) de aterramento, que podem ser tipo:
Pressão
Onde é empregado um conector cujo contato é feito com
auxílio de ferramenta manual.
Compressão
Onde o contato dos elementos é realizado com o uso de
alicates hidráulicos, mecânicos ou elétricos e matrizes
específicas para a conexão.
Solda exotérmica com auxílio de molde e
uma mistura de pó aluminotérmico
Que faz a fusão dos cabos ou do cabo com a haste
tornando-os um único corpo.
Atenção
Para esta norma, as inspeções no aterramento devem ser semestrais e as medições anuais em caso de regiões litorâneas ou
de atmosfera agressiva. Nas demais condições, o prazo é de três anos.
NBR15749/2009
Esta norma trata da medição de resistência de aterramento
e de potenciais na superfície do solo. Ela define as
características gerais dos equipamentos de medição e as
metodologias de medição válidas, que podem ser feitas pelo
terrômetro convencional (de 3 ou 4 terminais) ou pelo
terrômetro digital tipo alicate.
Na ocorrência de uma falta para a terra, a circulação de
corrente pelo solo pode causar diferenças de potencial
entre:
Pontos na superfície do solo (dar origens a tensões de
passo);
Partes metálicas aterradas da instalação e o solo;
Circuitos que estão ligados ao aterramento e pontos
distantes do solo (circuitos de controle e comunicação,
cabos para-raios etc); Terrômetro tipo alicate.
Essa NBR estabelece metodologia para avaliação deste potencial no solo, conforme o esquema a seguir:
 Medição do potencial do solo pelo método da queda de potencial. Fonte: NBR15479
Para as medições, a NBR15479 recomenda:

Utilizar calçados e luvas com nível de isolamento
compatível aos valores de tensão do equipamento de
medição.
Evitar a realização de medições sob condições atmosféricas
adversas, tendo em vista a probabilidade de ocorrência de
uma descarga atmosférica.

Evitar que pessoas estranhas e animais se aproximem dos
eletrodos utilizados na medição.
Os casos mais perigosos de potencial injetado no solo para o ser humano e animais é a ocorrência da tensão de passo. A NBR
15479, item 7.5, estabelece que a tensão deve ser medida entre dois eletrodos de potencial cravados no solo e afastados um
metro, onde é aplicado no solo, tensão da ordem de 100V provida por gerador ou por transformador abaixador ou
transformador isolador, cuja metodologia de medição encontram-se nos anexos dessa norma.
 Medição do potencial de passo. Fonte: NBR15479
Atividade
3. Complete as sentenças sobre os critérios básicos para proteção de sobretensão:
A seguir alguns critérios básicos para a proteção.
Primeiramente, seccionar a fonte geradora de energia maispróxima ao ponto da ocorrência do evento gerador da sobretensão,
de forma que a potência desligada seja o suficiente para __________ a tensão ao nível nominal de trabalho.
Retirar do sistema os ______________ .
Bloquear ___________ automáticos principalmente se for a linha onde houve o evento.
Transformadores dotados de __________ automáticos, devem estar ligados na unidade temporizada.
A sequência que completa corretamente as lacunas é:
a) Reduzir, bancos de capacitores, religadores, comutadores.
b) Elevar, resistores, fusíveis, relés.
c) Manter, indutores, disjuntores, chaveadores.
d) Transformar, fusíveis, religadores, seccionadores.
e) Manter, reatores, disjuntores, relés.
Notas
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Referências
Barros, Benjamim Ferreira, Gedra, Ricardo Luís. Cabine Primária - Subestações de alta tensão de consumidor. São Paulo: Érica,
2011.
MAMEDE, João Filho. Proteção de sistemas elétricos de potência. Rio de Janeiro: LTC, 2013.
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