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ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 0 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br ATERRAMENTO ELÉTRICO CONCEITOS BÁSICOS Paulo Edmundo da F. Freire (paulofreire@paiolengenharia.com.br) Engo Eletricista e Mestre em Sistemas de Potência pela PUC-RJ Especialização em Aterramento e Interferências na SES, Montreal, Canadá Doutorando em Geologia/Geofísica pela Unicamp Diretor da PAIOL Engenharia INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1 1. ATERRAMENTO ELÉTRICO - CONCEITOS BÁSICOS ............................................. 1 1.1 PARÂMETROS ELÉTRICOS DO SOLO ...................................................................... 3 1.2 SOLOS SUJEITOS A CONGELAMENTO ................................................................... 9 2. CHOQUE ELÉTRICO E SEGURANÇA HUMANA ..................................................... 13 3. DESEMPENHO DE ATERRAMENTOS ..................................................................... 17 3.1 DESEMPENHO DE ATERRAMENTOS ÀS BAIXAS FREQUÊNCIAS ...................... 17 3.2 DESEMPENHO DE ATERRAMENTOS A CORRENTES IMPULSIVAS .................... 24 3.3 REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 30 4. MATERIAIS UTILIZADOS EM ATERRAMENTO ....................................................... 32 4.1 CONCEITOS BÁSICOS ............................................................................................. 32 4.2 PROTEÇÃO DOS MATERIAIS CONTRA A CORROSÃO ........................................ 35 4.3 PROTEÇÃO CATÓDICA DE DUTOS – CONCEITOS BÁSICOS .............................. 37 4.4 CONEXÕES EM ATERRAMENTOS .......................................................................... 40 4.5 MATERIAIS UTILIZADOS EM ATERRAMENTOS .................................................... 43 ANEXO I - CIRCUITOS DISTRIBUÍDOS E EM CASCATA .............................................. 44 ANEXO II - SIMULAÇÃO DIGITAL DE MALHAS DE ATERRAMENTO .......................... 48 ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 1 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br INTRODUÇÃO O aterramento elétrico vem a ser um elemento integrante da infra-estrutura de instalações elétricas e também de elementos construtivos de edificações e de estruturas. A palavra integrante é aqui aplicada no seu sentido mais amplo, pois tanto diz respeito ao fato do aterramento fazer parte de inúmeros subsistemas, como pelo fato da malha de aterramento efetivamente integrar - no sentido de interligar - os elementos destes subsistemas. Tem-se, portanto, que o aterramento não se restringe aos elementos enterrados, estendendo-se até os componentes dos diversos subsistemas: estruturas e edificações - ferragens e elementos metálicos estruturais; sistemas de proteção contra descargas atmosféricas - elementos captores e descidas; redes de energia - cabos pára-raios das linhas de transmissão, blindagens de cabos de energia, condutor neutro de redes de distribuição, condutor de proteção de circuitos em baixa tensão; e equipamentos eletrônicos e cabeações de sinais - blindagens, malhas de referência de sinais, “racks” e chassis de equipamentos etc. As mais diversas funções são esperadas do aterramento: segurança para pessoas e instalações; garantia de atuação eficiente de dispositivos protetores; referência para redes elétricas e para equipamentos eletrônicos; meio de escoamento de correntes para o solo (para descargas atmosféricas, desbalanços de redes de energia, cargas eletrostáticas); blindagem para a proteção de equipamentos e cabeações de sistemas eletrônicos. A tecnologia para o dimensionamento de sistemas de aterramento pode ser dividida, em linhas gerais, em quatro tipos de sistemas: instalações de alta-tensão (linhas de transmissão e subestações); redes de distribuição; instalações de baixa tensão e edificações/estruturas; e instalações que abrigam equipamentos eletrônicos sensíveis. Estudos de malhas de aterramento de subestações são reconhecidos pelo IEEE “Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis” (“Standard 399-1990”), como um dos dez estudos clássicos, aplicáveis ao dimensionamento de redes de energia para instalações industriais e comerciais. A mesma metodologia utilizada nestes estudos pode ser aplicada para o dimensionamento do aterramento de linhas de transmissão de energia (cabos pára-raios e aterramento de pés de torres), bem como para a elaboração dos estudos de interferências de redes de alta-tensão sobre linhas de distribuição, telefonia, tubulações metálicas etc. Instalações de alta-tensão abrangem os principais componentes das redes de transmissão de energia, a saber, as subestações e as linhas de transmissão. A característica principal destas instalações vem a ser o fato de estarem associadas a grandes blocos de energia, que demandam altas tensões e elevadas correntes. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 2 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br A situação mais crítica para o dimensionamento e a avaliação dos sistemas de aterramento destas instalações vem a ser a condição de curto-circuito, quando a circulação de corrente nos componentes da rede, e destes para a terra, atinge valores muito altos, da ordem de milhares de Ampéres (kA), e a sua eliminação pelos sistemas de proteção (relés e disjuntores) demanda tempos elevados, da ordem de décimos de segundo. Estudos de aterramento e de interferências utilizam técnicas de modelagem da rede elétrica em condições anormais de operação (curto-circuito ou desbalanceamento de fases), onde existe circulação de correntes pelo solo e por elementos usualmente desenergizados (malhas de aterramento, blindagens de cabos de energia, cabos pára-raios de linhas de transmissão etc.). Os seguintes aspectos são abordados nestes estudos: aterramento - dimensionamento dos elementos componentes do sistema de aterramento (ampacidade) e segurança humana (potenciais de passo e toque, potenciais transferidos); interferências - indução em estruturas metálicas longas (tubulações, linhas telefônicas, redes de distribuição, cercas etc.) e/ou acoplamento condutivo com outros aterramentos, tubulações ou estruturas metálicas enterradas. Nas redes de distribuição em posteação, convivem as cabeações da média tensão (tipicamente até 15kV), da baixa tensão e a rede telefônica. Neste tipo de rede, ao contrário dos demais sistemas, os aterramentos dos três subsistemas (rede elétrica, cabo mensageiro e cabo telefônico) são usualmente separados. Nas instalações de baixa tensão, os sistemas de aterramento e de proteção contra descargas atmosféricas (diretas e indiretas) devem ser conduzidos como um projeto único, uma vez que se tratam de sistemas de atuação integrada. O dimensionamento destes sistemas deve ser baseado nas normas NBR-5410/2004 (Instalações Elétricas de baixa Tensão) e NBR-5419/2015 (Proteção de Estruturas contra Descargas Atmosféricas). Estudos nas diversas áreas acima relacionadas devem fazer parte do projeto de novas instalações ou da ampliação/reformulação de sistemas já existentes. Dentre as situações que requerem a avaliação e o eventual redimensionamento destes sistemas, podemos citar: a ampliação de instalações já existentes; a implantação de sistemas eletrônicos sensíveis (redes de microcomputadores, sistemas de comunicação, supervisão e controle etc.); a detecção de problemas em instalações já existentes (choques em estruturas metálicas, falhas na operação de sistemas eletro-eletrônicos, queima de componenteseletrônicos, mau funcionamento de equipamentos etc.); a ampliação de SE's ou a construção/ampliação de instalações vizinhas às mesmas (indústrias, CPD's, redes de tubulações metálicas etc.); e a reformulação de instalações, considerando as normas e padrões mais atualizados, visando níveis mais elevados de confiabilidade. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 1 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br 1. ATERRAMENTO ELÉTRICO - CONCEITOS BÁSICOS Sistemas de aterramento são constituídos por uma rede de eletrodos enterrados e por condutores de interligação, e tem por objetivo: prover um meio de escoamento de correntes elétricas para o solo, sejam descargas atmosféricas diretas, curtos-circuitos envolvendo a terra, desbalanços na rede de energia ou cargas elétricas estáticas; estabelecer um referencial para a terra, de baixa impedância, tendo em vista a atuação eficiente de dispositivos de proteção, bem como a operação adequada de equipamentos eletrônicos; equipotencialização da superfície do solo no interior e na periferia de subestações de energia, quando da ocorrência de curtos-circuitos para a terra, tendo em vista o controle dos potenciais de passo e toque; prover as instalações em geral, de uma rede de condutores que permita ligações curtas e seguras de todos os equipamentos e estruturas para os eletrodos de aterramento. Entende-se por eletrodos de aterramento quaisquer elementos metálicos enterrados que podem dissipar correntes elétricas para o solo, sejam aqueles dedicados exclusivamente para este fim, tais como os cabos de cobre nu e as hastes de aço-cobreado, ou aqueles que exercem primariamente outras funções, tais como tubulações metálicas e ferragens de fundações. O desempenho de malhas de aterramento pode ser analisado considerando duas condições operativas, seja quando da injeção de uma corrente de baixa frequência, sendo a falta para a terra uma situação típica, ou quando da injeção de correntes de surto, tais como as que caracterizam os raios. A Figura 1.1 apresenta as elevações de potenciais no solo decorrentes da injeção de uma corrente à frequência fundamental (50/60 Hz) e de uma corrente de alta frequência (0,5 kHz) em uma malha de aterramento típica de subestação (reticulada). No primeiro caso é obtida uma razoável equipotencialidade do solo, dentro dos limites impostos pela geometria da malha, enquanto que no segundo caso a elevação transitória do potencial restringe-se, praticamente, à região do solo próxima ao ponto de injeção da corrente na malha. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 2 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Figura 1.1: potenciais no solo devido à injeção de correntes de baixa e de alta frequência em uma malha de aterramento. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 3 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Figura 1.2: superfícies equipotenciais potenciais no solo devido à injeção de correntes de baixa frequência em uma malha de aterramento. 1.1 PARÂMETROS ELÉTRICOS DO SOLO As equações de Maxwell definem as relações entre os vetores que caracterizam o campo eletromagnético em um determinado meio. Nestas equações o solo é caracterizado por três parâmetros (que no caso mais geral são variáveis no tempo e no espaço): - resistividade elétrica, r - permeabilidade magnética relativa ao vácuo, e r - constante dielétrica ou permissividade relativa ao vácuo. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 4 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br No solo, o parâmetro r pode ser considerado unitário, e o parâmetro r assume valores dentro da faixa de 5 a 30. A resistividade ”ρ” é inversamente proporcional à condutividade elétrica ”σ”. O valor da resistividade de um material coincide com a resistência elétrica de um cubo deste mesmo material de aresta unitária (1 x 1m). A Tabela 1.1 apresenta os valores típicos de resistividade dos diferentes tipos de solo. A resistividade é o parâmetro determinante do desempenho de aterramentos à baixa frequência. Estudos e projetos de aterramento exigem o conhecimento da resistividade do solo, parâmetro este essencial para o cálculo de resistências de aterramento e de potenciais na superfície do solo. De maneira simplista, a resistividade pode ser definida como sendo uma medida da dificuldade que a corrente elétrica encontra na sua passagem em um determinado material, o que está ligado aos mecanismos pelos quais a corrente elétrica se propaga. A resistividade típica das rochas cristalinas da crosta terrestre situa-se na faixa de 10² a 106 Ω.m. Estes valores de resistividade são elevados quando comparados aos de materiais condutores (cobre = 1,7241 x 10-8 .m), porém as resistências de malhas de aterramento não são muito grandes, tipicamente da ordem de unidades ou poucas dezenas de Ohms, pois estão associadas a grandes volumes de solo, que apresentam considerável seção reta para a circulação da corrente. A Lei de Ohm estabelece a relação entre a resistividade (ρ) e a resistência (R) de um condutor homogêneo, de forma cilíndrica ou prismática (Figura 1.3), é dada pela equação: 𝑹 = 𝝆 𝑳 𝑺 (Ohms), onde L é o comprimento; e S é a seção transversal do condutor. Deste modo pode-se definir a resistividade elétrica deste corpo como sendo 𝜌 = 𝑅 𝑆 𝐿 (Ohm.m). Figura 1.3: relação resistividade x resistência. 1.1.1 Resistividade da Água do Mar A água fresca já tem uma condutividade muito baixa, a adição de uma concentração de sal de cerca de 35 gramas por litro transforma a água do mar, com 0,15 a 0,4 Ω.m, em um excelente condutor. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 5 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Em contraste com a condutividade promovida pelo deslocamento de elétrons, característica dos materiais sólidos, os portadores de carga nos oceanos são os íons hidratados dos sais dissolvidos. Os íons positivos são chamados ânions e íons negativos são cátions. A condutividade da água do mar depende da quantidade de íons dissolvidos por volume (isto é, da salinidade) e da mobilidade dos íons (dependente da temperatura e pressão). A condutividade é igualmente aumentada pelo acréscimo da salinidade de 1 grama por litro, pelo aumento de temperatura de 1 °C, ou pelo aumento da profundidade de 2000 m (leia-se, da pressão). A água do mar, portanto, apresenta resistividade na faixa de 0,4 Ω.m para água fria e profunda a 0,15 Ω.m para a água quente de superfície. 1.1.2 Resistividade das Rochas Corrente contínua ou em baixas frequências, pode fluir pelo solo de duas maneiras – pelo movimentação de elétrons (metálica) ou de íons (eletrolítica). A condução metálica caracteriza-se pelo transporte dos elétrons na matriz da rocha, sendo o caso de certos minerais metálicos e dos xistos grafitosos. A maioria dos minerais não possui elétrons livres em quantidade suficiente para permitir a condução metálica, o que faz com que a circulação de corrente elétrica nos solos seja, usualmente, de natureza eletrolítica, resultante do deslocamento dos íons contidos na água retida no mesmo. As rochas da crosta terrestre, silicatos de maneira geral, são más condutoras. Nas camadas superiores da crostra terrestre, a resistividade das rochas é dependente, basicamente, da quantidade de água contida, da salinidade desta água e da sua distribuição nos poros e fissuras das rochas. É a umidade que torna o solo um meio condutor relativamente bom, apesar de seus constituintes minerais serem maus condutoresou mesmo isolante (caso das micas). Para valores altos de umidade, a condutividade do solo aproxima- se da condutividade do eletrólito absorvido, enquanto que para baixos níveis de umidade os valores de resistividade são governados pelas características elétricas do material rochoso. Alguns minerais não-silicatos são caracterizados por condução eletrônica. Rochas com teores significativos de grafite, sulfuretos (pirita e pirrotite, por exemplo) e óxidos (magnetita e hematita, por exemplo), podem apresentar baixa resistividade. Folhelhos que contém grafite podem ter resistividade inferior a 0,1 Ω.m. A quantidade de interligações entre os minerais condutores é de grande importância para caracterizar a condutividade elétrica destas rochas. Formações sedimentares são constituídas por materiais granulares, que podem ter os espaços intergranulares ocupados pela água. Dependendo da constituição da formação e da umidade contida na mesma, podem apresentar um amplo espectro de valores de resistividades. Minerais argilosos são caracterizados pela grande capacidade de realizar trocas iônicas. Solos e rochas ricos em argila normalmente apresentam, portanto, baixa resistividade. Minerais argilosos podem ter origem em processos de intemperização de superfícies ou devido à atividade hidrotermal em grandes profundidades. Solos ricos em argila podem também reter a água dos poros sob condições não saturadas. Minerais silicatos normalmente têm uma carga de superfície. Em consequência, ocorre uma atração das cargas de sinal oposto na água dos poros que resulta em uma fina dupla camada elétrica formada na interface grão-eletrólito. Esta camada é eletricamente mais condutora do que o resto da água dos poros. Rochas e solos alterados e de granulação fina, que tem grande área de superfície total grão-eletrólito, apresentam, portanto, resistividade mais baixa do que rochas e solos recentes, de granulação grosseira, mantidos os demais fatores. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 6 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br A mobilidade de cargas eletrolíticas dos minerais silicatos aumenta dramaticamente em altas temperaturas, ocorrendo a baixa resistividade elétrica em anomalias geotérmicas. A fusão parcial resulta em uma considerável redução da resistividade elétrica. A resistividade elétrica das soluções aquosas também é afetada pela temperatura, já que a elevação da temperatura resulta no aumento da solubilidade de muitas substâncias e, consequentemente, da salinidade da água nos poros das rochas. Usualmente altos valores de resistividade estão associados a embasamentos cristalinos antigos, compostos por granitos, gnaisses e rochas similares. Entretanto resistividades elevadas também podem ser associadas a formações mais novas, como por exemplo, nas lavas basálticas. Nas formações cristalinas, apesar da presença de água em fraturas e poros baixar o valor da resistividade, esta mudança somente se faz notar se a quantidade de minerais condutivos excede 10% do volume de rocha. Basaltos e rochas ígneas tem a faixa de resistividade do granito, que seco varia de 106 a 109 Ω.m, e em geral 103 a 106 Ω.m. Nas micas, na direção perpendicular às lâminas, a resistividade pode chegar a ordens de 1015 Ω.m. As resistividades típicas das rochas são da ordem de 100 a 1.000.000 Ω.m, conforme apresentado no Gráfico 1.1. Os seguintes fatores influenciam a resistividade dos materiais litológicos: umidade e porosidade da rocha, assim como a textura e forma de distribuição de seus poros; resistividade do minerais que formam a parte sólida da rocha e dos líquidos e gases que preenchem seus poros; processos que ocorrem no contato dos líquidos com a estrutura mineral (adsorção de íons). A resistividade dos solos de condutibilidade eletrolítica é função inversa dos fatores abaixo ralacionados, conforme pode ser observado no Gráfico 1.2: porosidade total comunicante – ou seja da granulação da rocha e da distribuição e forma dos poros e fissuras; grau de saturação - quantidade de água contida nos poros e fraturas da rocha, nos espaços entre partículas ou aderida à superfície das mesmas; e condutividade da água – dependente da concentração de sais e elementos químicos dissolvidos, e da sua temperatura, no intervalo desde o ponto de liquefação até o de evaporação da água. Tem-se, portanto, que a resistividade do solo é um parâmetro extremamente variável, que varia para diferentes tipos de formação, e inclusive dentre formações semelhantes. Tem- se, portanto, que não é possível fazer nenhuma correlação de litologia com resistividade. As Tabelas que se seguem são meramente orientativas, e apresentam uma grande faixa de variação de resistividade para os diferentes formadores do solo. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 7 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Tabela 1.1: valores típicos de resistividade de diversos materiais, em .m (DNER-ME 040/95). ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 8 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Gráfico 1.1 – variações típicas, nos valores de resistividade para sedimentos inconsolidados saturados, e rochas (modificado de Orellana, 1972). Grafico 1.2: resistividade dos componentes da crosta terrestre (Resistivity of Rocks and Minerals - Geophysics 424, January 2013). ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 9 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Gráfico 1.3: variação da resistividade do solo com salinidade, umidade e temperatura (Wikypedia). 1.2 SOLOS SUJEITOS A CONGELAMENTO No caso dos solos sujeitos a congelamento, a resistividade é dependente da temperatura, volume de gelo e tipo de solo (neste último caso mais devido à sua granulação). A camada de solo permanentemente congelada (“permafrost”), a partir de alguns metros abaixo da superfície do solo, apresenta usualmente valores bastante estáveis de temperatura e de resistividade ao longo de todo o ano, enquanto que a camada superficial apresenta variações, em função da temperatura ambiente nas diversas estações do ano. A Figura 1.4 ilustra o comportamento da resistividade de diferentes tipos de solo na faixa de 10 oC, cabendo algumas observações: o congelamento preserva a relação de resistividades para os diferentes tipos de solo, verificando-se que a argila congelada apresenta resistividade inferior à da areia e do granito não congelados; e ocorre um drástico aumento da resistividade do solo para temperaturas abaixo de zero graus - para uma variação de temperatura de +1o para –10o, tem-se um aumento superior a dez vezes na resistividade do solo. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 10 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Figura 1.4: resistividade do solo na faixa entre 10oC. 1.2.1 Variação da Temperatura do Solo A resistividade elétrica dos solos é inversamente proporcional à temperatura. Um aumento significativo da resistividade ocorre quando a temperatura cai abaixo de zero graus Celsius e congela o solo. Esta alteração está diretamente relacionada com o decréscimo da quantidade de água descongelada no solo, e pode ser afetada pela sua crioestrutura. A resistividade pode aumentar por um fator de 5 a 1000 vezes o valor de "verão", dependendo da temperatura, tipo de material do solo, conteúdo de umidade, salinidade etc. Que fatores de proporcionalidade da resistividade devem ser utilizados para as várias camadas superficiais do solo que são afetadas pela a temperatura em uma determinada região geográfica,quando o solo congela? Alguns argumentaram que um fator de 5 a 6 seria adequado. Outros adotam um valor da ordem de 20 ou mais. A melhor abordagem não é tentar usar um valor médio, mas para aproximar a distribuição real da resistividade com a profundidade por uma função temperatura x profundidade, considerando o modelo de solo de "verão" e outras informações relevantes, tais como dados meteorologicos. A temperatura do solo oscila ciclicamente, afetada principalmente por variações da temperatura do ar e da radiação solar. A variação anual da temperatura média diária do solo (T) com a profundidade (z) pode ser estimada utilizando uma função sinusoidal: T(z,t) = Ta + A0 ℮– z/D sen[2π(t - t0)/365 – z/D – π/2], onde: Ta – temperatura média do solo, T – temperatura do solo ao longo do ano, A0 – amplitude anual da temperature do solo, D = wDh /2 – fator de atenuação da variação annual da temperatura com a profundidade, onde Dh é a difusividade térmica e ω = 2π/365. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 11 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br O coeficiente de difusividade térmica (Dh) define a profundidade em que é interrompida a variação de temperatura. A Tabela 1.2 apresenta alguns valotes típicos para este parâmetro. Um exemplo típico de variação anual da temperatura: considerando Dh = 0.01 cm2/s, Ta = 2 °C e A0 = 20 °C, a profundidades abaixo de 5 a 6 m, as temperaturas do solo serão essencialmente constants ao longo do ano. Tipo de Solo Difusividade Térmica (cm²/sec) Rocha 0.020 Argila Úmida 0.015 Areia Úmida 0.01 Argila Seca 0.002 Areia Seca 0.001 Solo Mineral 0.015 Água 0.00142 Ar 0.21x10-3 Tabela 1.2: valores típicos de difusividade térmica do solo. Gráfico 1.4: variação anual da função temperatura x profundidade do solo. 1.2.2 Resistividade em Função da Temperatura Com base na variação da temperatura do solo (T) com a profundidade (z), pode-se obter a variação da resistividade (ρ) como uma função da temperatura e profundidade ρ = ƒ(T,z). ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 12 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br O Gráfico 1.5 apresenta as curvas de variação do fator de resistividade (isto é, a relação de resistividade a uma dada temperatura para o seu valor a 15 °C) com a temperatura, calculadas com base em numerosos dados experimentais obtidos para diversos tipos de solo. Assim, para um estudo de aterramento, se para um determinado modelo de solo de "verão", for selecionado o perfil apropriado de temperatura de "inverno", com base nos dados meteorológicos da região e no fator de resistividade da curva correspondente ao solo da região, será possível a determinação da resistividade da camada superficial do solo em função da profundidade. A principal vantagem desta abordagem é que se pode utilizar finas camadas horizontais para emular a variação de resistividade com a profundidade ou, se necessário, pode ser calculada uma única camada equivalente. Esta técnica produz modelos mais realistas e menos conservativos do solo para condições de inverno e início da primavera. Gráfico 1.5: fator de resistividade x temperatura do solo. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 13 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br 2. CHOQUE ELÉTRICO E SEGURANÇA HUMANA A segurança do ser humano em contato com instalações elétricas está associada ao risco de choque. A Tabela 2.1 apresenta os efeitos de diversos níveis de choque elétrico no corpo humano. Dentre as possíveis consequências do choque elétrico no corpo humano podem-se destacar: alterações do sangue, resultantes de efeitos térmicos e eletrolíticos da corrente elétrica; perturbações no sistema nervoso, que podem levar a descontrole motor (espasmos musculares, que podem ser intensos o suficiente para quebrar ossos) e até a parada respiratória; queimadura na pele e em órgãos internos, com riscos de necrose de tecidos; e distúrbios cardíacos - fibrilação ventricular e parada cardíaca. Existem ainda os efeitos indiretos, quando existe arco elétrico, tais como: calor irradiado pelo arco a alta temperatura; trauma decorrente de som elevado e de forças vibratórias em torno do arco; e inalação e exposição a vapores tóxicos liberados pelo arco. TIPO DE CONTATO 127 V 220 V Entre as pontas dos dedos de ambas as mãos (dedos secos) 7 mA 14 mA Entre as palmas das mãos (secas) 122 mA 244 mA Mão com ferramenta e pés calçados (secos) 6 mA 12 mA Mão com ferramenta e pés calçados (molhados) 183 mA 366 mA Corpo no chuveiro ou na banheira 220 mA 440 mA Tabela 2.1: correntes que circularão pelo corpo para diversas formas de contato. A resistência média tipicamente considerada para o corpo humano é de cerca de 1000 ohms. A magnitude da corrente de choque depende de diversas variáveis, tais como a tensão aplicada, área de contato com o corpo, pressão aplicada, estado da pele (seca ou úmida) etc. Os efeitos do choque elétrico em baixas e altas tensões são distintos. A circulação de correntes de até 25 mA pelo corpo humano adulto é considerada de pouco risco, não representando um risco de morte, podendo, no entanto, causar desconforto ou dores. Em baixas tensões as correntes de choque dificilmente ultrapassam 300 mA, sendo o motivo de morte mais frequente a fibrilação ventricular. Em altas tensões as correntes de choque são da ordem de Ampéres, sendo na maioria das vezes o choque fulminante, com morte por efeito térmico (queimadura, fusão de carne e de ossos e vaporização de plasma e sangue), que ocorre bem antes da falência cardiovascular. Em alguns casos a violenta e generalizada contração muscular que se segue ao choque lança a vítima longe, havendo a possibilidade de recuperação, apesar de danos extensivos e sequelas de médio e longo prazo. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 14 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br A fibrilação ventricular é um processo em que o batimento cardíaco perde o sincronismo devido à despolarização das fibras musculares do coração, que passam a tremular desordenadamente, o que resulta na perda da capacidade do músculo cardíaco de bombear o sangue. A reversão deste processo se faz por meio do desfibrilador elétrico, que nada mais é do que um capacitor que é descarregado no tórax da vítima. Esta descarga elétrica repolariza as fibras musculares do ventrículo, que voltam a obedecer ao sinal sincronizador emitido pelo Centro Regulador Cardiovascular. Os sintomas e consequências da fibrilação cardíaca são: desfalecimento e palidez; não há pulso - queda da pressão arterial para zero; e não há respiração - parada respiratória. Cabe observar que o tempo de evolução do processo do choque elétrico é longo o suficiente para que a aplicação dos protocolos de ressucitação tenham um bom índice de sucesso, conforme pode-se constatar pela cronologia tipica de um evento de choque elétrico: 3 segundos - síncope; 10 a 20 segundos - convulsões; 30 a 40 segundos - pupila do olho dilatada; 40 segundos - apnéia e incontinência; 2 minutos - pupila do olho extremamente dilatada; 4 minutos - início do comprometimento cerebral irreversível; e 9 a 12 minutos - morte. Jellineck, pesquisador de eletropatologias, assim classifica a morte por choque elétrico: “exitus interruptus” – quando a vítima morre imediatamente ao receber o choque elétrico, em decorrência da inibição de funções vitais; “exitus retardatus” – quando a morte é lenta, e a vítima consegue gritar por alguns segundos, morrendo em seguida por asfixia; e “exitus dilatus” – quando a vítimasobrevive ao choque, morrendo horas ou dias após o acidente. Com relação ao efeito da variação da frequência, pode-se afirmar que os seres humanos são extremamente vulneráveis a correntes para a faixa de frequência próxima a 50 e 60 Hz. A tolerância do corpo humano à corrente contínua é, aproximadamente, cinco vezes maior do que para esta faixa de frequência, sendo que para altas frequências, entre 3.000 Hz e 10.000 Hz, o corpo suporta correntes de 22 a 28 vezes mais altas. Outro fator que contribui para a maior suportabilidade do corpo humano às frequências mais altas é o “efeito skin”, que faz com que as correntes em altas frequências tendam a circular apenas pela superfície da pele, sendo relativamente mais baixa a fração da corrente que circula pelos órgãos internos, especialmente pelo coração. A Figura 2.1 ilustra as principais variáveis relacionadas com os conceitos de segurança humana: tensão de falta (Vf) - existente entre o ponto onde ocorre a falta e a terra remota; ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 15 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br tensão de contato ou de toque (Vc) - fração da tensão de falta que é imposta à pessoa que toca uma massa metálica percorrida pela corrente de falta (ou por parte da mesma); tensão de contato presumida (Vcp) - máxima tensão de contato que pode ocorrer em caso de ocorrência de falta de impedância desprezível na instalação; tensão de contato limite - tensão que uma pessoa pode suportar indefinidamente sem risco; e tensão de passo (Vp) - diferença de tensão na superfície do solo causada por uma circulação de corrente de terra, entre dois pontos espaçados de um metro (convenção). A terra remota vem a ser um local situado fora da área de influência dos eletrodos enterrados, onde o solo não interfere mais na definição da resistência de aterramento dos mesmos. Correntes de terra são decorrentes da operação desbalanceada de redes de energia, de fugas em instalações, da circulação de correntes capacitivas, de faltas para a terra etc. Se a falta e o contato se fazem fora desta área de influência dos eletrodos, tem-se, então que a tensão de falta iguala-se à tensão de contato presumida. A diferença de tensão entre as tensões de contato e de contato presumida vem a ser exatamente a tensão aplicada à resistência do contato, normalmente caracterizada pela resistência de contato dos pés da pessoa com o solo. A tensão de contato presumida só ocorre, na prática, se a pessoa estiver descalça sobre um piso condutivo, ou ainda tocando com a mão livre em uma estrutura metálica aterrada. De acordo com a IEC, considera-se como limite admissível para tensões de contato em corrente alternada de 110 V e 220 V, os tempos de 0,36 s e 0,17 s. C.A. C.C. REAÇÃO FISIOLÓGICA CONSEQUÊNCIA SALVAMENTO I < 25 mA I < 80 mA 1 mA - formigamento 15 mA - contração muscular 55 mA - contração muscular violenta desde o incômodo até a morte aparente respiração artificial 25 < I < 80 80 < I < 300 - contrações violentas - asfixia morte aparente respiração artificial I > 80 mA I > 300 mA - asfixia imediata - fibrilação ventricular - alterações musculares - queimaduras morte aparente respiração artificial massagem cardíaca desfibrilação I > 1 A - queimaduras - necrose de tecidos - fibrilação ventricular - asfixia imediata morte aparente sequelas morte respiração artificial massagem cardíaca desfibrilação hospitalização Tabela 2.2: possíveis consequências do choque elétrico no corpo humano. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 16 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Vf – tensão de falta Vc – tensão de contato Vcp – tensão de contato presumida Vp – tensão no contato pé-solo Rp – resistência de contato pé-solo Rh – resistência do corpo humano (1000) Rm – resistência de aterramento da malha Figura 2.1: variáveis envolvidas nos conceitos de segurança humana. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 17 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br 3. DESEMPENHO DE ATERRAMENTOS 3.1 DESEMPENHO DE ATERRAMENTOS ÀS BAIXAS FREQUÊNCIAS As principais variáveis que interferem no desempenho de um dado sistema de aterramento à frequência industrial (50 Hz ou 60 Hz) são: a resistividade do solo; a geometria dos condutores dos aterramentos; e a magnitude da corrente injetada nos aterramentos. Os valores destas variáveis estão relacionados com os seguintes parâmetros: a resistência de aterramento dos diversos eletrodos que compõem o sistema; as resistências mútuas (acoplamento resistivo) entre eletrodos; os potenciais na superfície do solo induzidos pelos eletrodos; e a elevação de potencial dos eletrodos. Para fenômenos à frequência industrial, admite-se que o comportamento do solo é semelhante ao de regime estacionário, quando as suas propriedades são, basicamente, caracterizadas pela resistividade elétrica. A forte influência exercida pelo solo é bastante compreensível, por ser o meio no qual os eletrodos encontram-se imersos. A resistência de aterramento dos eletrodos, bem como, os seus acoplamentos resistivos (resistências mútuas), são função da disposição relativa entre eles e de características do solo. A elevação de potencial dos eletrodos e os perfis de potenciais na superfície do solo, dependem, também, da magnitude da corrente injetada no aterramento. A resistência mútua vem a ser o efeito exercido por um eletrodo de aterramento, que dissipa uma corrente para o solo, sobre outro eletrodo existente dentro da sua área de influência. Este acoplamento mútuo manifesta-se sob a forma de um potencial que surge no segundo eletrodo, mesmo que não interligado ao primeiro eletrodo onde é feita a injeção de corrente. O efeito do acoplamento mútuo entre os diversos elementos componentes de uma malha de aterramento (interligados entre si) pode ser visualizado como uma redução da eficiência do conjunto, o que reflete-se no fato que a resistência de aterramento de um conjunto de eletrodos de aterramento não coincide com o paralelo das resistências dos seus elementos componentes. A área de influência de um conjunto de eletrodos é determinada pela sua dimensão e pela resistividade do solo, sendo diretamente proporcional a estes dois parâmetros. Os limites desta área são determinados pela região onde não se fazem mais sentir os efeitos da injeção de corrente na malha, onde são desprezíveis as densidades de corrente por seção reta unitária do terreno e, em consequência, as diferenças de potenciais no solo. Consideremos um aterramento constituído por duas hastes de 3/4” x 3 m, espaçadas de 3m e não interligadas, enterradas em solo de 100 .m, sendo injetada uma corrente alternada de 10 A (60 Hz) em uma das hastes. A primeira haste pode ser chamada de aterramento principal e a segunda haste de aterramento flutuante. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 18 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br A resistência de aterramento da haste principal será dada pela relação entre a tensão na própria haste e a corrente nela injetada, e a resistência mútua entre as duas hastes será dada pela relação entre a tensão na haste flutuante e a corrente injetada na haste principal: 8,31 10 318 Ip Vp Rp 3,4 10 43 Ip Vf Rm 318 V 43 V 31,8 31,8 4,3 a) Rp – Rm = 27,5 Rm=4,3 b) Figura1.6: circuito elétrico correspondente à duas hastes – separadas e interligadas. Se as duas hastes forem interligadas elas formarão um aterramento único, cuja resistência poderá ser calculada pela resolução do circuito série paralelo: Re qv Rp Rm Rm Rp Rm 2 2 A aplicação dos valores do exemplo à expressão acima resulta no valor Reqv=18. Este resultado demonstra o mencionado efeito redutor da eficiência aterramento formado por um conjunto de vários elementos enterrados próximos, devido ao acoplamento resistivo mútuo entre os mesmos, pois Reqv > Rp/2. Um aspecto importante do comportamento de eletrodos de aterramento a baixas frequências vem a ser a equipotencialidade, o que pressupõe a não uniformidade da dissipação de correntes para o solo ao longo dos seus elementos. A equipotencialidade de um grupo de eletrodos de aterramento interligados significa que as quedas de potencial longitudinais nos mesmos são desprezíveis, de modo que todo o conjunto de eletrodos assume um único potencial. Esta consideração é aplicável às malhas de aterramento de dimensões não muito grandes, constituídas por cabo de cobre lançados em solo de resisitividade de média para alta, não sendo válida nas seguintes situações: malhas de grandes dimensões, tais como as de instalações industriais de grande porte; eletrodos longos, tais como os contrapesos (cabos de aterramento) contínuos das torres de linhas de transmissão; e malhas de aço. A não uniformidade da densidade superficial de corrente dispersada para o solo ao longo dos elementos do eletrodo, significa que a dispersão de corrente para o solo pelo eletrodo não ocorre de forma homogênea, em cada um dos seus segmentos elementares. Tipicamente a densidade superficial de corrente dos condutores periféricos de uma malha de aterramento é superior à dos condutores centrais, o que significa que os primeiros dispersam para o solo uma fração maior da corrente total na malha do que os últimos. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 19 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br A Figura 1.7 apresenta a metade de um eletrodo semi-esférico de raio r e a respectiva curva de potenciais na superfície do solo, dada pela expressão V = I/(2..r). Verifica-se que a uma distância de 2r do centro do eletrodo o potencial na superfície do solo já decaiu para a metade do potencial do eletrodo, e que até 10 raios de distância o valor do potencial no solo reduz-se para 10%. O rápido decaimento do potencial nas proximidades do eletrodo de aterramento, de forma não linear, pode ser explicado pelo fato da superfície de solo atravessado pela corrente aumentar com a distância ao eletrodo, o que resulta em densidades de corrente por seção reta de solo cada vez menores. 0 2 4 6 8 10 distância (raios) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 potencial (p.u.) Figura 1.7: curva de potenciais no solo associada a um eletrodo semi-esférico. 3.1.1 Cálculos de Resistências de Aterramento Os estudos conduzidos por DWIGHT para o cálculo de resistências de aterramento de diversas geometrias de eletrodos estão baseados no conceito de dualidade entre os valores de resistência de aterramento (para a corrente contínua) e de capacitância de eletrodos enterrados, que podem ser expressos pela relação R x C = - onde: R - resistência de aterramento (ohms), C - capacitância (Farads), - resistividade do solo (ohms.metro), e - constante de permitividade elétrica. Cálculos de resistências de aterramento (próprias e mútuas) de geometrias de eletrodos complexas e também de perfis de potenciais no solo, exigem a disponibilidade de programas para computador, que permitem a simulação do comportamento de grupos de eletrodos de aterramento não interligados (malha principal e malhas flutuantes), compostos por condutores horizontais e verticais, lançados em solos homogêneos ou estratificados em modelos de múltiplas camadas (paralelas ou hemisféricas), considerando-se a não uniformidade da distribuição de densidade de corrente ao longo dos eletrodos. As expressões mais simples de resistência de aterramento correspondem aos seguintes eletrodos ao nível do solo (ambos de geometria circular e de raio r): semi esfera - R r 2. . disco horizontal - R r 2. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 20 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Para geometrias simples de aterramento, em solos de resistividade uniforme (em m), são aplicáveis formulações específicas, que são apresentadas a seguir. Hastes de Aterramento A resistência de aterramento de uma haste vertical de comprimento l e raio a (ambos em metros), é dada pela expressão abaixo, que pode ser aproximada pela simples fórmula R=/l: l R l a l ln /2 2 Se considerarmos uma haste de 3m x 5/8" cravada em um solo de 100 .m, a aplicação da fórmula completa resultará em uma resistência de 35 , enquanto que a expressão mais simples resultará no valor de 33 . Para n hastes alinhadas e espaçadas de 3 metros entre si, tem-se Rn = k.R1 , onde k é dado pela Tabela: n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 k 1 0,56 0,40 0,32 0,26 0,23 0,20 0,18 0,16 Malhas Fechadas A formulação para o cálculo da resistência de malhas fechadas considera apenas a sua área (A, em m2) e a extensão total de cabo enterrado (L, em m), além do valor da resistividade do solo, sendo aplicável a seguinte fórmula: LA R 4 Uma malha de aterramento de 10.000 m2, com um total de 2.200 m de cabo enterrado em um solo com resistividade de 100 m, apresentará uma resistência de 0,5 . Aterramentos em Cruz Para um eletrodo em forma de cruz (com quatro braços de extensão l e raio a), aterramento típico de torres de telecomunicações, temos a seguinte expressão: R l l a 4 1 4 ln Uma torre com um aterramento em cruz, formado por quatro eletrodos de 15 m x 50 mm2 (a = 4,58 mm), em um solo de 500 m, apresentará uma resistência de 21,7 . l ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 21 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Eletrodos Longos e Paralelos Para o cálculo da resistência de pé de torres de linhas de transmissão, são aplicáveis as fórmulas de DWIGHT, que definem as formulações para o cálculo da resistência própria (Rp) de um condutor horizontal longo enterrado e da resistência mútua (Rm) entre dois condutores enterrados paralelos. A dedução destas expressões pressupõe um potencial constante ao longo dos condutores, o que significa que a sua precisão é inversamente proporcional à sua extensão. L d Rp L L a h h L h L ln 2 2 1 2 2 2 Rm L L d d L d L 2 4 1 2 16 2 2ln onde, d<<L e a - raio dos condutores (metros), h - profundidade de enterramento (metros), e d - espaçamento entre os condutores (metros). A resistência equivalente dos dois cabos será dada pela redução do circuito abaixo apresentado. A aplicação destas expressões para o cálculo da resistência de uma torre de LT, cujo aterramento é constituído por dois contrapesos em cabo de aço de 3/8" ( 9,2 mm) enterrados em solo de 500 m, a 0,6 metros de profundidade, afastados de 10 metros entre si e com 100 metros de extensão resulta nos seguintes valores: Rp = 12,8 Rm = 8,7 Reqv. = 10,7 Rp Rp Rm Rm Rp-Rm Rp-Rm 22 Re RmRp Rm RmRp qv 3.1.2 Redução de Resistências de Aterramento Pode-se distinguir, de maneira geral, duas formas básicas de se obter uma redução na resistência de aterramento de uma malha, a saber,alteração da geometria da malha e/ou alteração do solo no qual a malha está imersa. As alterações na geometria da malha que efetivamente podem contribuir para a redução da sua resistência são a ampliação da sua área e a utilização de hastes de aterramento, este último recurso válido apenas em casos específicos que atendam às seguintes condições: malha pequena (de dimensão da ordem da espessura da primeira camada de solo); ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 22 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br primeira camada de solo com espessura inferior a seis metros; e resistividade da primeira camada de solo bastante superior à da segunda camada. As alterações possíveis de se realizar no meio em que a malha está imersa envolvem a substituição de um certo volume de solo, imediato aos eletrodos de aterramento, por outros materiais, que podem ser outros tipos de solo, componentes químicos etc Esta substituição do solo, no entorno dos condutores, pode ser extensiva a toda a malha ou apenas a uma fração da mesma, e pode ter diversos objetivos, a saber, garantir a aderência dos eletrodos ao solo (no caso de superfícies rochosas), redução da resistência de aterramento da malha, controle de corrosão e temperatura, uniformização da dissipação de corrente ao longo da malha etc. A eficiência deste recurso na redução do valor da resistência de aterramento é inversamente proporcional às dimensões da instalação, podendo vir a ser vantajoso em áreas reduzidas, mas apresentando uma alta relação custo-benefício no caso de instalações de médio e grande porte. A forma usual de substituição do solo consiste na adoção de "jaquetas" em torno dos condutores da malha. Entende-se por "jaquetas" o revestimento, parcial ou total, dos condutores da malha por materiais de resistividade diferente daquela predominante na camada de solo em que a malha se encontra. Este processo, na sua forma mais geral, consiste no lançamento da malha em um leito escavado no solo e previamente preenchido por um material específico. A relação custo x benefício, deve ser avaliada considerando o custo envolvido nas movimentações de terra e nos revestimentos dos condutores pelas "jaquetas", bem como a eficiência do processo para o objetivo desejado. São comentadas, a seguir, algumas alternativas que podem ser utilizadas para a substituição do solo imediato aos condutores de malha de aterramento. Coque ou Carvão Vegetal Material de reduzida resistividade (cerca de 0,5 m) que apresenta duas vantagens: redução dos níveis de corrosão da malha, tendo em vista que a condução na junção metal- coque se processa de forma eletrônica, sendo que presença de umidade anula em parte esta vantagem, já que parte da condução, nestas condições, se processa pela forma iônica; e obtenção do efeito equivalente ao aumento do diâmetro dos condutores da malha, que pode contribuir para uma redução da sua resistência de aterramento. Bentonita A bentonita é uma argila natural que contém o mineral montmorilonita, derivada tipicamente de intemperismo de cinzas vulcânicas, material muito absorvente, estável e não corrosivo, com resistividade da ordem de 2,5 m a 300 % de umidade. Esta baixa resistividade é resultante do eletrólito que se forma pela adição da água, com a vantagem, em relação às misturas de sais, que este eletrólito não escapa do local de instalação, já que é um componente da argila. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 23 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Devido à sua natureza higroscópica, atrai e retém a umidade do meio em que é depositada, podendo, em função da disponibilidade de água, aumentar até 13 vezes o seu volume, o que contribui para melhorar sensivelmente a resistência de contato entre o eletrodo e o solo. Neste processo de aumento de volume, a bentonita, que às vezes é adicionada a uma mistura despolarizante de gesso, extravasa o seu leito inicial e penetra nas fendas do solo, ampliando sua área no solo e atingindo, eventualmente, camadas de solo mais profundas com menor resistividade. Concreto ou Solo-Cimento Material também de natureza higroscópica, quando enterrado no solo apresenta resistividade da ordem de até 25 m, em função de seu traço e da umidade local, promovendo em solos de resistividade entre média e alta, uma efetiva redução no valor da resistência de aterramento de condutores enterrados e, também, contribuindo para a redução da corrosão dos mesmos. Apresenta como desvantagem a possibilidade de apresentar rachaduras na junção com o metal, que aumentam a resistência de contato e prejudicam a eficiência do conjunto. Estas rachaduras podem ser decorrentes do aumento de volume dos pontos onde ocorre a corrosão do metal ou ainda do súbito aumento da pressão interna, causado pela vaporização da umidade quando da circulação de níveis elevados de corrente na junção metal-concreto. Outra desvantagem advém da grande variação de resistência de aterramento que estruturas imersas em concreto apresentam em função da umidade local, variações estas que poderão ocorrer ao longo do ano, de acordo com as oscilações climáticas. Tratamento Químico do Solo O tratamento químico faz uso de sais (cloretos de sódio, carbonato de cálcio ou sulfatos de cobre ou magnésio), que contribuem para reduzir a resistividade do solo, e constitui-se em um recurso para a obtenção de baixas resistências de aterramento de hastes e condutores horizontais. Verificam-se, porém, algumas restrições, como ao cloreto de sódio, por exemplo, que apesar de ser capaz de apresentar um efeito imediato de redução da resistividade do solo, dilui-se na presença da água e possui alto poder corrosivo sobre os eletrodos de aterramento. Tem-se, portanto, que este tipo de tratamento, além de ter que apresentar uma relação custo x benefício adequada, não deve ser lixiviável, corrosivo ou tóxico. O fator custo deve incluir o tratamento inicial, a sua durabilidade, as eventuais reaplicações que se fizerem necessárias, bem como a redução da vida útil da instalação devido à corrosão causada pelo tratamento. O fator benefício deve quantificar a sua eficiência na redução da resistência de aterramento da instalação. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 24 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br 3.2 DESEMPENHO DE ATERRAMENTOS A CORRENTES IMPULSIVAS Os aterramentos quando submetidos à injeção de corrente impulsivas, tais como as associadas a descargas atmosféricas ou a manobras de alguns equipamentos elétricos (como chaveamentos de bancos de capacitores), apresentam um comportamento de impedância, ao contrário dos processos de dispersão de correntes de baixas frequências para o solo, associados a apenas uma resistência. A resposta ao impulso de aterramentos de pequena dimensão pode ser aproximada por um circuito equivalente simples, onde a resistência de dispersão, válida para baixas frequências, é associada a indutâncias e capacitâncias, que introduzem o fator tempo na resposta ao impulso. A Figura 1.6 apresenta o circuito equivalente de uma haste de aterramento, assim como as expressões para o cálculo dos seus parâmetros. Deve-se observar que o parâmetro R corresponde à resistência de dispersão, enquanto que os parâmetros L e C são equivalentes à indutância e capacitância fisicamente distribuídas ao longo da haste. Estes últimos parâmetros introduzem um retardo na resposta do aterramento ao eletrodo. R l l r 2 2 . . ln r ll L 2 ln .2 .0 C l l r 2 2 . . . ln l = comprimento da haste (m) r = raio da haste (m) = r x 0 0 = 8,84 x 10-12 (F/m) 0 =1,26 x 10-6 (H/m) Figura 1.6: circuito equivalente de uma haste de aterramento e expressões dos respectivos parâmetros (em ohms). A resposta inicial dos eletrodos de aterramento longos a correntes de natureza impulsiva, é semelhante à apresentada pelas de linhas de transmissão, onde as ondas de tensão e corrente sofrem um processo de reflexão e refração nas descontinuidades da rede, apresentando variações de magnitude com o tempo ao longo do eletrodo. Consideremos uma excitação senoidal numa frequência w=2..f, onde f = frequência da onda. Nesse caso a impedância característica da linha (relação fasor da tensão/fasor da corrente) é dada por (vide Jordan, Electromagnetic Waves and Radiating Systems, pg 224, eq. 8-40): Zc=sqrt[(R+jwL)/(G+jwC)], R, L, C e G são, respectivamente, a resistência, indutância, capacitância e condutância distribuídas da linha, parâmetros fortemente dependentes da frequência. Somente no caso de linhas sem perdas (quando R = 0 e G = 0), teremos Zc = sqrt[L/C], independente da freqüência. Este, porém, não é o caso de eletrodos de aterramento. A expressão e=L(di/dt) é também válida para fios retilíneos, só que o valor de L depende da geometria específica (distância entre condutor de corrente e fio vítima), não sendo um valor fixo como em uma bobina convencional. R L C ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 25 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Malhas de aterramento submetidas a elevadas correntes impulsivas com origem em descargas atmosféricas comportam-se como uma impedância transitória, variando, no tempo, desde a sua impedância de surto, até o valor da resistência de dispersão dos contrapesos. Este processo caracteriza um valor dinâmico de impedância de aterramento, que apresenta duas componentes: a primeira, que é a impedância de surto, ocorre na fase inicial do processo, e a segunda, denominada de resistência de aterramento, é o valor para o qual a impedância do eletrodo converge. Os principais parâmetros que determinam o comportamento transitório de eletrodos são: as características elétricas do solo (resistividade, permissividade e permeabilidade); a geometria dos componentes do eletrodo de aterramento; e a magnitude e a forma de onda da corrente injetada no aterramento, bem como, a localização do ponto de sua aplicação. Dependendo dos valores destes parâmetros, o eletrodo pode apresentar um valor inicial de impedância de surto maior ou menor que o valor da resistência de aterramento. Outro fator importante, que influencia as características transitórias de impedância do aterramento, é a ionização do solo. Esta ocorre devido à dissipação para o solo de valores elevados de corrente, usualmente associados à descargas atmosféricas, induzindo gradientes de tensão no solo suficientemente elevados para romper o seu dielétrico até uma certa distância radial do eletrodo. Os valores de gradientes de tensão para a ionização do solo dependem das características elétricas do mesmo, e situam-se na faixa de 1 a 40 kV/cm. O efeito deste fenômeno é a formação de um envelope de solo ionizado ao redor do eletrodo, que tem como consequência o aumento do raio efetivo do eletrodo, acarretando em uma redução de 20 a 80% da sua impedância de aterramento. O risco da ionização do solo em aterramentos de dimensões reduzidas em solo de elevada resistividade é a vitrificação do material do solo no entorno da haste (fusão da sílica contida na areia), a partir da sua extremidade inferior, que forma uma parede impermeável e isolante entre o material condutor e o solo. 3.2.1 Desempenho de um Aterramento Simples Consideremos um aterramento constituído por um único condutor horizontal, de comprimento l (m), enterrado em um solo homogêneo de condutividade g (S/m). A maior parte da energia de um impulso de corrente proveniente de um raio está contida em um espectro de freqüências que se estende de 0 Hz até 1 ou 2 MHz. Cada uma dessas componentes irá se comportar de forma diferente quando injetada em um eletrodo de aterramento. Em particular as altas freqüências, associadas aos instantes iniciais do impulso sofrerão uma atenuação bastante forte, tendo suas amplitudes muito reduzidas após percorrerem distâncias relativamente curtas ao longo do eletrodo. Isto significa que os primeiros instantes da frente de onda normalmente não "verão" toda a extensão do eletrodo caso esse seja suficientemente longo. O mesmo não acontecerá com as baixas freqüências que "verão" uma extensão maior do eletrodo. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 26 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Resulta assim que, para eletrodos suficientemente longos, os primeiros instantes da frente de onda verão um eletrodo relativamente mais curto, consequentemente com impedância maior do que aquela vista pelas componentes de baixa freqüência associadas à parte de maior duração da descarga. Assim sendo, dado um impulso de corrente com tempo de subida Ts (us), existe um comprimento que denominaremos Lmin, a partir do qual não haverá mais redução do pico inicial de tensão associado à frente de onda do impulso de corrente, ou seja, vale a pena aumentar L até L= Lmin. Fazer L>Lmin não resultará em redução significativa do impulso inicial de tensão no ponto de injeção de corrente. Essas considerções indicam que aterrar equipamentos, carcaças etc., no mesmo ponto de injeção das correntes dos raios, pode não ser uma boa medida. Já foi demonstrado que o aterramento do tranasformador de uma ERB em um ponto afastado do pé da torre de antenas, resulta em uma redução significativa da tensão injetada nas linhas de MT. Segundo um antigo documento de autoria do Dr. Viktor Scuka, renomado professor da universidade de Upsala, Lmin é dado pela expressão Lmin = 0.9 x sqrt(Ts/g) [m]. Por exemplo, para um raio com tempo de subida Ts = 1 us, propagando em um solo com resistividade de 100 Ωm (ou seja, g = 0,01 S/m), Lmin=9 m. Nestas condições, de pouco adiantaria termos um eletrodo de 30 m na expectativa de reduzirmos a amplitude do pico inicial de tensão. É claro que as baixas freqüência "verão" um eletrodo mais longo, eventualmente com toda sua extensão. Assim sendo, o valor de resistência calculado e medido em baixa freqüência é pouco representativo do comportamento para os instantes iniciais dos surtos. Logicamente, para raios com tempos de subida maiores teremos Lmin maiores. Por exemplo, se considerarmos um improvável raio com Ts>20 us, chega-se a um valor máximo de um eletrodo, a partir do qual não adiantará aumentar seu comprimento, de Lmax = 4/sqrt(g). Para o solo de 100 Ωm ter-se-á Lmax = 40 m. Em aplicações onde o importante é reduzir o pico inicial de tensão no ponto de injeção da descarga, de pouco ou nada adiantará aumentarmos o tamanho do eletrodo além de Lmin ou Lmax a menos que se pretenda afastar o ponto de injeção da descarga do ponto de aterramento do restante da instalação. Em outras aplicações, onde o importante é a redução da energia total associada à tensão desenvolvida no ponto de injeção da descarga, talvez valha a pena utilizar a eletrodos maiores. Somente uma análise dinâmica do comportamento da malha poderá dar uma resposta mais precisa. Tem-se, portanto, que uma malha de aterramento submetida à ação de impulsos não pode ser analisada simplesmente em termos de distribuição de potenciais e muito menos ser considerada como uma estrutura equipotencializada. É tambem importante ressaltar que, as considerações acima se aplicam igualmente ou talvez com mais enfase na análise das malhas de subestações operando em 60 Hz, quando sob a ação de transitórios de manobras (chaveamentos, comutações, curto-circuitos etc.), cujos espectros de frequências podem ir muito além dos 1 ou 2 MHz dosraios. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 27 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br 3.2.2 Desempenho do Aterramento de Torres Admitindo uma torre com aterramento de geometria radial, no instante da injeção da corrente de descarga (t = 0+), a impedância de pé de torre equivale ao paralelo das impedâncias de surto dos cabos que convergem para o ponto de injeção da corrente. Com o passar do tempo (da ordem de alguns microsegundos), à medida que as reflexões da onda de corrente nas extremidades dos condutores do aterramento, e também no topo da própria torre, retornarem ao ponto de injeção, a impedância tende à resistência de dispersão do aterramento (resistência à baixas frequências). As tensões no solo e os campos elétricos e magnéticos nas proximidades de uma torre atingida por um raio apresentam comportamento oscilatório amortecido, na frequência de ressonância da torre. A Figura 1.7 apresenta as curvas de variação da impedância no tempo, para arranjos de aterramentos com comprimento total 1000 pés de cabo enterrado, com geometrias de um a quatro contrapesos. Verifica-se que este tipo de aterramento está associado a baixas resistências de dispersão e a altas impedâncias impulsivas. A Figura 1.8 apresenta o circuito equivalente que simula a variação da impedância de um aterramento formado por condutores radiais, onde verifica-se que esta variação pode ser aproximada por uma exponencial, cuja constante de tempo é diretamente proporcional ao comprimento de cada perna de cabo contrapeso e inversamente proporcional à velocidade de propagação da onda de corrente no condutor enterrado. A impedância de surto de um eletrodo enterrado é função da sua geometria, de parâmetros elétricos do solo (resistividade, permissividade e permeabilidade) e, também, da intensidade e frequência da onda de corrente injetada, o que caracteriza esta impedância como um parâmetro não linear. Uma conFiguração com arranjos de condutores e hastes de aterramento, dispostos em segmentos radiais relativamente curtos (da ordem de algumas dezenas de metros) pode proporcionar baixa resistência de pé de torre frente a descargas impulsivas. Neste tipo de aterramento, em função dos elevados gradientes de potencial na interface condutor/solo, decorrentes de descargas atmosféricas de alta intensidade, pode ocorrer a ionização do solo e até a sua disrupção parcial, o que resulta no aumento do raio efetivo dos condutores e na consequente redução da sua impedância transitória. Uma consequência do fenômeno de ionização do solo, é a redução da resistência de pé de torre ao impulso, com relação ao valor medido à baixa frequência. Na faixa de 5 a 15 de resistência de pé de torre este efeito não é importante, mas para altas resistências esta redução pode ser bastante acentuada. Aterramentos concentrados com muitos elementos radiais, com relação aos aterramentos com poucos condutores longos, apresentam impedâncias de surto menores, e valores mais altos de resistência de dispersão, devido à menor área. Estão também associados a processos transitórios mais rápidos, caracterizados por constantes de tempo menores, decorrentes da pequena extensão dos seus componentes e do grande número de reflexões do surto nas suas extremidades. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 28 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Z = 150 = impedância de surto (t = 0+) R = 10 = resistência de dispersão N = número de cabos NS = 1000’ = comprimento total de cabo Figura 1.7: curvas de variação da impedância para arranjos de 1 a 4 contrapesos de 1000 pés de extensão. A impedância de surto e a resistência de aterramento de arranjos radiais de condutores podem ser calculadas com o auxílio das expressões: 12 )(1/2ln)(1/2ln 2 rn nMaLnNaL Zc e ohmsnNaL Ln Rd )(1/2ln onde, M n m n m n m n m n ( ) ln sen / sen / cos / 1 1 1 , e N n m n m nm n ( ) ln sen / sen / 1 1 1 , sendo: n - número de contrapesos, L - comprimento de uma perna de contrapeso (metros), d - diâmetro do contrapeso (metros), h - profundidade de enterramento (metros), a - raio efetivo do contrapeso = d h (metros), - resistividade do solo (ohms.metro), - permeabilidade absoluta do vácuo (4 x 10-7 H/m), - permissividade absoluta do vácuo (8,85 x 10-12 F/m), r - permissividade relativa do solo para altas frequências r e e 35 37 5 0 008 180 0 0022 80, , , . ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 29 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Z t Rd Zc Rd e t( ) / Rd Z c - Rd Lc = 2 x L ( Z c - Rd ) Rd - resistência de dispersão dos contrapesos (em ohms), Zc - impedância de surto equivalente dos contrapesos (valores típicos entre 150 e 200 ), - 2.L/v = constante de tempo (1/s), L - comprimento de uma perna do contrapeso (em metros), v - velocidade de propagação do surto no condutor enterrado (valor típico = 100 m/s - 1/3 da velocidade da luz). Figura 1.8: circuito equivalente de aterramentos de torres com contrapesos radiais 3.2.3 Desempenho de Malhas de Aterramento para Correntes Impulsivas A Figura 1.9 apresenta o perfil de potenciais no solo acima do eixo de uma malha de aterramento com 60 x 60 m2, que é excitada no centro com um impulso de 1 kA x 1,2/50 us. Pode-se observar que este é um processo dinâmico, em que a elevação transitória de potencial inicialmente se concentra no ponto de injeção do impulso de corrente e, em seguida, se propaga progressivamente para toda a malha. Após alguns microsegundos observa-se que a distribuição do potencial escalar torna-se uniforme ao longo de toda a malha. Malhas de menores dimensões terão tempos de acomodação também menores, ou seja, em menos tempo chega-se a uma distribuição uniforme de potencial. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 30 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br Figura 1.9: potenciais nos condutores de uma malha submetida a um impulso de corrente padrão (1,2 x 50 s) de 1 kA no seu centro. 3.2.4 Esforços em Condutores Condutores percorridos por correntes impulsivas elevadas, tais como as que caracterizam as descargas atmosféricas, são submetidos a dois tipos de esforços: mecânico - decorrente da atração mútua exercida entre os seus fios componentes, durante os primeiros microsegundos (associados à frente de onda), e que resultam em uma diminuição do diâmetro externo do condutor; e térmico - devido ao aquecimento ôhmico (da ordem de até algumas centenas de graus Celsius), provocado pela circulação da cauda do surto, e da componente DC. Pesquisas indicam que o esforço mecânico é o maior responsável pelo rompimento de condutores submetidos a elevadas correntes impulsivas, e que em alguns casos o rompimento ocorre por efeito térmico no ponto de maior constrição do cabo (maior redução de seção), sendo o efeito térmico, portanto, apenas coadjuvante no processo de rompimento. Verifica-se que o aço é o material que apresenta a maior resistência ao esforço mecânico, seguido do cobre e do alumínio. Este último, além de possuir a menor resistência mecânica, está sujeito ao fenômeno da eletromigração, caracterizada pela migração de material do condutor sujeito a elevadas densidades de corrente, o que contribui para acentuar a redução da seção do condutor e ao seu subsequente rompimento por efeito térmico. 3.3 REFERÊNCIAS “The World of Ice”, Brian John, OrbisPublishing, London “Electromagnetic Probing of Permafrost”, Pieter Hoekstra e Duncan McNeill "Choque Elétrico” - Geraldo Kindermann, Editora Sagra-Luzzato ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 31 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br "Bentonite Rods Assure Ground Rod Instalation in Problem Soils" - Warren R. Jones, IEEE Vol. PAS-99, No 4, Jul/Ago/1980. "Improvement of Grounding Properties by Use of Bentonite", Z. First e outros, 1982. "Multi Step Analysis of Interconnected Grounding Electrodes" - Dawalibi F., Mukhedkar D., IEEE Transactions on PAS, Vol. PAS-95, Jan/Feb 1976 "Análise de Circuitos "Ladder" de Parâmetros Concentrados Excitados por Fontes de Corrente" - S. T. Sobral, IX SNPTEE. "Testing of Ground Conductors with Artificially Generated Lightining Currents" - John M. Tobias, IEEE Transactions on IA, Vol. 32, May/June 1996 “COMO MELHORAR A RESPOSTA IMPULSIVA DE MALHAS DE ATERRAMENTO” - Antônio R. Panicali e Marco A. dos Santos Verde ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 32 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br 4. MATERIAIS UTILIZADOS EM ATERRAMENTO 4.1 CONCEITOS BÁSICOS 4.1.1 O Problema da Corrosão Corrosão é uma forma de ataque destrutivo aos metais, geralmente causada por reações químicas ou eletroquímicas entre metais e o meio ou outro material. Os metais possuem diferentes potenciais eletroquímicos, decorrentes da instabilidade produzida pelos seus átomos periféricos. Se dois metais diferentes são interligados e imersos em um eletrólito, haverá a formação de uma pilha galvânica, com a movimentação de íons de um metal para outro através do eletrólito, devido à diferença de potencial entre eles. O metal mais eletronegativo sofrerá corrosão, pois doará íons, perdendo massa. Figura 4.1: processo da corrosão. METAL POTENCIAL ELÉTRICO (Volts) OURO +1,42 PRATA +0,7996 FERRO +0,770 COBRE +0,3402 ALUMÍNIO -1,706 ZINCO -0,7628 ESTANHO -0,1364 NÍQUEL -0,23 CROMO -0,74 CHUMBO -0,1263 Tabela 4.1: potenciais eletroquímicos dos metais. São diversas as formas de corrosão: uniforme - é identificada uniformemente ao longo de toda a superfície do material; localizada - geralmente o tipo de corrosão mais danosa, é caracterizada por pequenos pontos de corrosão (“pits”) identificados em regiões localizadas do material (pode propagar-se para o interior do material, criando furos); por zonas - quando o material apresenta apenas partes corroídas, sendo o meio termo entre a corrosão uniforme e a corrosão localizada; e intergranular - ocorre microscopicamente, nas adjacências dos grãos do metal. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 33 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br A corrosão pode ser classificada por classes: química – quando ocorre reação química entre o meio e o metal, classe de corrosão cada vez mais rara, devido à utilização de composições diferentes de materiais ou banhos que reduzem sensivelmente a corrosão ao material da tubulação; eletroquímica - ocorre quando há passagem de corrente através de metais diferentes imersos em um eletrólito (ar, água, solo, etc), corrente esta que pode ser gerada devido a: contato entre dois metais com potencias elétricos diferentes (ex: cobre e alumínio), metais iguais mas em estados metalúrgicos diferentes (ex: alumínio e duralumínio), fontes de potencia, que circulam livremente através de metais diferentes – ex: trilhos eletrizados; diferencial - devido a meios diferentes, por exemplo, quando um mesmo material enterrado sofre decomposição devido à exposição a diferentes tipos de solos; e entre o mesmo tipo de material, mas em diferentes estados superficiais (ex., quando há substituição de uma parte danificada de uma tubulação antiga por uma nova - a corrosão é mais severa quanto menor for a sessão nova em comparação a tubulação antiga). Figura 4.2: exemplos de corrosão eletroquímica em tubulações enterradas – em uma válvula e em um trecho sujeito à circulação de correntes contínuas no solo. Dentre os principais processos envolvidos na perda de massa pelos eletrodos de aterramento destacam-se: interligação entre metais diferentes; heterogeneidades no aço ou ferro; heterogeneidades do solo; e eletrólise causada pela circulação de correntes elétricas. ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 34 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br A imposição de correntes elétricas a metais enterrados superpõe-se aos processos acima citados, cabendo lembrar que além dos riscos associados à corrente contínua, existe referência à corrosão causada por correntes alternadas à frequência industrial, em metais imersos em solos de muito baixa resistividade (< 10 .m). Quando um metal é introduzido em um meio, os potenciais deste meio tendem a se equilibrar, o que resulta na circulação de corrente que causa corrosão. Metais imersos em meios semi-condutivos (solo ou água) apresentam diferenças de potenciais naturais nas superfícies de contato. Metais diferentes enterrados e interligados dão origem à circulação de correntes, em função dos diferentes potenciais naturais. Neste processo, o metal que libera corrente (o anodo) sofre o processo de corrosão, ficando protegido o metal que recebe a corrente (o catodo). Heterogeneidades existentes no solo ou em um mesmo metal enterrado permitem a ocorrência de micro e/ou macro células de corrosão, em um processo que resulta em que partes de um mesmo material enterrado assumam comportamento anódico, libertando correntes e sofrendo portanto a corrosão, enquanto que outras apresentam comportamento catódico. A intensidade da reação que resulta no processo de corrosão será determinada pelos seguintes fatores: diferenças de potenciais naturais entre os metais interligados ou entre regiões do mesmo material; composição química do eletrólito; nível de aeração do meio; e relação entre áreas dos materiais anódico e catódico. 4.1.2 pH do Solo Apesar do pH não ser um parâmetro elétrico do solo, o seu conhecimento é importante para o projetista de sistemas de aterramento, pois está intimamente ligado ao problema da corrosão. Solos com pH inferior a 7 são ácidos, e com pH superior a 7 são alcalinos. Tipicamente, os solos ácidos possuem pH entre 4 e 7. O cobre é atacado pelos solos ácidos, podendo-se inferir que malhas de cobre neste tipo de solo possuirão vida mais curta. A acidez é resultante de um processo natural de lavagem do solo em áreas de alto índice pluviométrico, onde as chuvas removem os sais solúveis e as bases coloidais presentes no mesmo. Curiosamente, o alumínio (que não é utilizado em malhas de aterramento), não é atacado pelos solos ácidos, sendo, porém, sensível aos solos alcalinos. Uma forma simples de avaliação da acidez do solo pode ser feita com a utilização de kits de teste de pH utilizados em piscinas, segundo o seguinte roteiro: dividir toda a área a ser avaliada por um reticulado fictício, de modo a se obter cerca de 10 sub-áreas de mesma superfície; em cada sub-área fazer uma escavação superficial da superfície (15 cm) e colher um pequeno volume de solo, livre de pedras, resíduos de vegetação, materiais orgânicos etc; juntar todas as amostras, misturar bem em um balde limpo e colher uma pequena amostra com uma colher de chá; coloque esta amostra em um copo limpo e cheio com água (destilada, se possível), misture bem e deixe depositar por dez minutos; ATERRAMENTO CONCEITOS BÁSICOS Pag. 35 Rua Argemiro Piva 246, Paulínia/SP, CEP 13140-426 Tel: (19) 3844-4488/3844-8399 paulofreire@paiolengenharia.com.br
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