Aula 11 Malha Aterramento SPDA

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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS
ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA
AULA 11
Malhas de Aterramento e SPDA 
em Subestações Elétricas 
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A - Malhas de Aterramento em 
Subestações Elétricas
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OBJETIVOS DO ATERRAMENTO ELÉTRICO
• Possibilitar o escoamento para a terra das correntes devidas às 
descargas atmosféricas captadas por pontas e cabos pára-raios.
• Possibilitar o escoamento para a terra das correntes de descargas 
através dos equipamentos pára-raios e centelhadores; 
• Descarregar para o potencial de terra as partes que possam ser 
portadoras de corrente, devido a induções ou falta para terra possíveis 
de serem tocadas por pessoas;
• Possibilitar um caminho de baixa impedância para a terra das 
correntes de falta, das quais depende a operação dos relés de 
proteção respectivos;
• Fornecer um caminho de baixa impedância para a terra das 
correntes de neutro dos circuitos e equipamentos (sistemas 
conectados com o neutro fortemente aterrado);
• Proteger pessoas e equipamentos contra potenciais perigosos que
possam se desenvolver na área da subestação;
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PARÂMETROS A SEREM DIMENSIONADOS NO 
CÁLCULO DA MALHA DE ATERRAMENTO
• Como será visto em outra parte do curso, a malha de aterramento da 
subestação deverá ser dimensionada a partir da medição da resistividade 
do solo no local da implantação, além de outros dados do sistema elétrico 
(p. ex.: tempo de eliminação da falta para terra, etc.) e calculados os 
seguintes parâmetros:
• Tensão de toque;
• Tensão de mesh
• Corrente de choque por tempo indeterminado.
• Corrente de choque de curta duração;
• Tensão transferida
• Tensão de passo;
• Resistência de aterramento da malha;
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PARÂMETROS A SEREM DIMENSIONADOS NO 
CÁLCULO DA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
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SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DA TENSÃO DE PASSO 
NA MALHA CONFORME NORMA IEEE 80
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SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DA TENSÃO DE TOQUE 
NA MALHA CONFORME NORMA IEEE 80
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SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DOS POTENCIAIS 
DESENVOLVIDOS NO SOLO CONFORME NORMA IEEE 80
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PRINCIPAIS COMPONENTES DE UMA 
MALHA DE ATERRAMENTO
Hastes de Aterramento
Tratam-se de eletrodos cravados no solo, constituídos de 
hastes cilindricas com alma de aço revestidas de uma camada 
de cobre (copperweld), cantoneiras de aço galvanizadas, etc.
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EXEMPLOS DE HASTES DE ATERRAMENTO
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EXEMPLOS DE HASTES DE ATERRAMENTO
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PRINCIPAIS COMPONENTES DE UMA 
MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
Conectores de Aterramento
Tratam-se de condutores metálicos, destinados a executar 
conexões entre os diversos componentes da malha (p. ex.: 
cabo-haste, cabo-cabo, cabo-estrutura, etc.). Podem ser de 
cobre eletrolítico ou bronze.
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EXEMPLOS DE CONECTORES DE 
ATERRAMENTO
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PRINCIPAIS COMPONENTES DE UMA 
MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
Cordoalhas de Aterramento
Tratam-se de conexões flexíveis constituídas de fios finos de cobre 
trançados e estanhados. Aplicam-se ao aterramento de cercas, 
portões, alavancas de mecanismos de manobra, etc.
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EXEMPLOS DE CORDOALHAS DE 
ATERRAMENTO
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PRINCIPAIS COMPONENTES DE UMA 
MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
Conexões Exotérmicas
Tratam-se de conexões efetuadas a partir de uma reação química 
exotérmica, onde uma mistura de pó de cobre e pólvora é detonada 
no interior de um cadinho (molde) de grafite.
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EXEMPLOS DE CONEXÕES EXOTÉRMICAS
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COMO É EXECUTADA NA PRÁTICA UMA 
CONEXÃO EXOTÉRMICA
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REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA 
MALHA DE ATERRAMENTO
• Todos os componentes metálicos da subestação (estruturas, 
equipamentos, cercas e portões, etc.), inclusive aqueles localizados na 
sala de controle, devem ser solidamente conectados à malha de 
aterramento;
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REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA 
MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
• Toda estrutura que possa fazer parte integrante do caminho da corrente 
de falta deverá possuir, no mínimo, 2 pontos de conexão à malha;
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REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA 
MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
• As tubulações metálicas instaladas na área da subestação devem ser 
conectadas à malha em um único ponto para se evitar que através das 
mesmas circulem correntes de falta;
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REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA 
MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
• Se algum tubo metálico (p. ex.: 
tubo de água, eletroduto, tubo 
de gás, etc.) se estender para 
fora da área da subestação, o 
mesmo deverá ser interrompido 
com um trecho de peça isolante, 
de modo a se evitar que 
potenciais perigosos sejam 
transferidos para fora da área da 
malha e, consequentemente, 
vitimando pessoas por choque 
elétrico;
Trecho de 
Tubulação 
Isolada
Trecho de 
Tubulação 
Metálica
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REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA 
MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
• Toda malha deve ser coberta 
com uma camada de 100 mm de 
espessura de brita. A área da 
malha deve ser circundada por um 
meio fio, de modo a delimitar a 
superfície britada. Em geral, o 
meio fio é instalado a 1 m de 
distância externamente ao último 
condutor da malha;
Obs.: a camada de brita, além de 
funcionar como dreno das águas 
pluviais, atua como um isolante, 
haja visto que sua resistividade, 
quando encharcada é da ordem 
de 3000 Ω.m;
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REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA 
MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
• Cravar eletrodos (hastes) de 
aterramento, preferencialmente do 
tipo “copperweld” de dimensões ∅
¾” x 3000 mm de comprimento. 
Os locais prioritários são: 
� cantos da malha;
� aterramento de cada
para-raios;
� neutros transformadores;
� neutros dos reguladores de
tensão.
Obs.: quando a haste se destinar 
a ponto de medição, protegê-la 
com uma manilha.
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REGRAS BÁSICASPARA ELABORAÇÃO DA 
MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
• Cercas e portões devem ser aterrados utilizando-se cordoalhas flexíveis de cobre 
estanhado. Instalar eletrodos de aterramento ao longo da cerca, distanciando-os de 
50 m entre si. A malha deve ser executada em torno de 1 m para fora da área 
varrida pelo portão quando de sua abertura. Da mesma forma, o aterramento de 
dispositivos de manobra das chaves seccionadoras deverá ser efetuado através de 
cordoalhas flexíveis;
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REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA 
MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
• Nos locais onde LT’s e RD’s cruzarem a cerca, lançar um cabo de cobre 
enterrado no piso e ligado a eletrodos (hastes), de modo a facilitar o 
eventual escoamento de uma corrente de falta para a terra, caso um 
condutor venha a cair sobre a cerca;
Cabo da malha enterrado no piso
Aterramento da cerca
Haste de aterramento
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• Se a cerca for de fios de arame 
farpado, cada fileira deverá ser 
aterrada utilizando-se fios de 
cobre nu, os quais deverão ser 
levados através de um cabo de 
cobre nu até a haste de 
aterramento;
REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA 
MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
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REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA 
MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)
• Junto aos mecanismos de manobra 
das chaves seccionadoras, deverá
ser instalada uma chapa xadrez no 
piso, a qual deverá ser devidamente 
conectada à malha para equalizar o 
potencial nos pés do operador;
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EXEMPLO DE PARTE DE UM PROJETO DE UMA 
MALHA DE ATERRAMENTO DE SUBESTAÇÃO
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TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE 
UMA SUBESTAÇÃO
• Uma vez concluído o dimensionamento e o projeto da malha de 
aterramento, a etapa seguinte concentra-se na sua construção. 
Nessa etapa, é importante a observação dos seguintes elementos: 
� arranjo físico da subestação;
� locação civil das bases;
� bitola do condutor da malha principal;
� possíveis interferências no lançamento dos condutores com outras
instalações da subestação (p. ex.: sistemas de iluminação, drenagem
pluvial, lançamento de eletrodutos, bases, canaletas, etc.)
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TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE 
UMA SUBESTAÇÃO (cont.)
Cavar as valas, com o cuidado de não romper outras instalações 
(tubulações de iluminação, drenagem, etc.), se existentes.
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TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE 
UMA SUBESTAÇÃO
A malha de aterramento é instalada a uma profundidade média de 600 mm 
em relação ao nível do solo terraplenado.
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TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE 
UMA SUBESTAÇÃO (cont.)
Lançar os condutores principais da malha em forma de “meshes”, 
deixando os rabichos para a conexão das partes necessárias (estruturas, 
cercas, equipamentos, etc.).
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TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE 
UMA SUBESTAÇÃO (cont.)
Cravar as hastes 
de aterramento.
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TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE 
UMA SUBESTAÇÃO (cont.)
Recompactar o solo e lançar a camada de brita.
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TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE 
UMA SUBESTAÇÃO (cont.)
Aterrar os equipamentos principais (transformadores, para-raios, 
disjuntores, TP’s, TC’s, chaves, etc.) e estruturas, utilizando-se os 
rabichos previamente expostos.
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TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE 
UMA SUBESTAÇÃO (cont.)
Aterrar as cercas e portões.
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TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE 
UMA SUBESTAÇÃO (cont.)
Aterrar os painéis e demais componentes instalados na sala de controle.
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B - Sistemas de Proteção Contra Descargas 
Atmosféricas em Subestações Elétricas 
- SPDA -
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NECESSIDADE DO SPDA
A proteção contra descargas atmosféricas em geral e, particularmente, nas 
subestações elétricas, assume uma grande importância na continuidade 
da operação do sistema elétrico.
Isto quer dizer que, qualquer interrupção no fornecimento da energia 
elétrica em decorrência de sobretensões, irá causar sérios inconvenientes 
de naturezas técnica, social e econômica.
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FORMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS 
ATMOSFÉRICAS NAS SUBESTAÇÕES ELÉTRICAS
• As recomendações para se projetar os SPDA’s encontram-se nas
normas: ABNT NBR-5419;
IEEE Std. 998 – 1996;
NFPA 780 – 1995.
� modelo eletrogeométrico→ esfera rolante
� equipamento “para-raios”→ proteção contra descargas diretas
� gaiola de Faraday→ blindagem eletromagnética
� pontas Franklin (hastes e cabos) → ângulos fixos
• Basicamente, dispomos das seguintes tecnologias para proteção contra
descargas atmosféricas nas subestações elétricas:
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PONTAS FRANKLIN (HASTES E CABOS) → ÂNGULOS FIXOS
• Esta tecnologia é atendida através da aplicação do chamado “efeito das 
pontas”. Na prática, são utilizados os mastros com pontas nos planos mais 
elevados da subestação, os quais, associados a cabos de aço (também 
conhecidos como “cabos para-raios ou cabos guarda”) formam uma rede 
compondo uma “blindagem” sob o volume de um cone onde se encontram 
os equipamentos e instalações que se deseja proteger; 
• Como mastros, pode-se utilizar as estruturas de chegada e saída de LT’s 
e RD’s da subestação; caso necessário, a rede de proteção poderá ser 
complementada pela instalação de mastros adicionais especificamente 
para esta finalidade;
• Esta proteção é a mais adequada onde existirem instalações de grande 
altura a serem protegidas, como é o caso das subestações e LT’s.
• Técnica recomendável apenas para subestações até o nível de 69 kV
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EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DAS PONTAS FRANKLIN
Obs.: as cotas, tais como 
x, y, s, d e h são definidas 
por norma;
Ângulos: α = 45°
β = 30°ou 45°
1 - MASTROS
ELEVAÇÃO
PLANTA
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EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DAS PONTAS FRANKLIN
PLANTA
ELEVAÇÃO
Obs.: as cotas, tais como 
x, y, s, d e h são definidas 
por norma;
Ângulos: α = 45°
β = 30°ou 45°
2 – CABOS PARA-RAIOS
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EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DAS PONTAS FRANKLIN
3 – APLICAÇÃO DOS MASTROS
NAS SUBESTAÇÕES
PLANTA
CORTE A - A
CABO 
PARA-RAIOS
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EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DAS PONTAS E CABOS PARA-RAIOS
PONTA 
FRANKLIN CABO PARA-RAIOS
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MODELO ELETROGEOMÉTRICO → ESFERAS ROLANTES
• O modelo eletrogeométrico parte da expectativa de que as descargas
atmosféricas penetram na subestação em queda vertical;
• Em tal modelo, considera-se a proteção para diferentes alturas de
mastros protegendo o volume desejado;
• A teoria baseia-se em uma esfera com raio “d” chamada “distância de
escorvamento” que gira até tocar no(s) mastro(s). A partir daí, o volume
gerado será considerado como a região protegida contra as descargas
atmosféricas.
• O raio “d” da esfera é função da corrente de descarga Is (KA);
• Essa proteção é recomendada para subestação em níveis > 69 kV
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EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO MODELO ELETROGEOMÉTRICO
ELEVAÇÃO
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EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO MODELO ELETROGEOMÉTRICO
ELEVAÇÃO
PLANTA
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EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO MODELO ELETROGEOMÉTRICO 
(COMPOSIÇÃO DE MAIS DE UM MASTRO)
PLANTA
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EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO MODELO ELETROGEOMÉTRICO 
(COMPOSIÇÃO DE MAIS DE UM MASTRO)
ELEVAÇÃO
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EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO MODELO ELETROGEOMÉTRICO 
(SOLUÇÃO PARA PROTEÇÃO EM UMA SUBESTAÇÃO)
PLANTA
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EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO MODELO ELETROGEOMÉTRICO 
(SOLUÇÃO PARA PROTEÇÃO EM UMA SUBESTAÇÃO)
ELEVAÇÃO
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GAIOLA DE FARADAY → BLINDAGEM ELETROMAGNÉTICA
• Esta tecnologia é atendida através da aplicação da chamada “blindagem 
eletromagnética” pesquisada e desenvolvida por Michael Faraday. Na 
prática, são utilizados pequenos condutores com pontas, associados a 
uma malha de cabos condutores no topo da edificação. Esses cabos são 
conduzidos ao sistema de aterramento;
• Esta proteção é a mais adequada onde existirem edificações de baixa 
altura a serem protegidas, como é o caso das salas de controle nas 
subestações elétricas;
• As distâncias da rede de proteção, bem como as descidas e o sistema de 
aterramento são encontrados na Norma ABNT NBR-5419;
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EXEMPLO DA APLICAÇÃO DA GAIOLA DE FARADAY
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EQUIPAMENTO “PARA-RAIOS”→ PROTEÇÃO CONTRA 
DESCARGAS DIRETAS
• Tratam-se de componentes do sistema que elétrico que possuem a 
característica de captar e escoar para o potencial de terra as sobretensões
(impulsos gerados por descargas atmosféricas) e surtos de tensão 
(sobretensões impostas ao sistema elétrico por ele próprio), p. ex.: 
operação de disjuntores, etc.;
• A tecnologia atual dos para-raios utiliza blocos de óxido de zinco (ZnO) 
encapsulados em suportes isolantes;
• A instalação dos para-raios pode ser sobre suporte no piso ou presos 
aos condutores das linhas de transmissão.
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EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO EQUIPAMENTO PARA-RAIOS
PARA-RAIOS
CONTADOR DE 
DESCARGAS