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Instalações Elétricas Aterramento Esquemas padronizados de aterramento Especificação de dispositivos de proteção Parte 6 Esquemas padronizados de aterramento Esquemas padronizados de aterramento Esquemas padronizados de aterramento Esquemas padronizados de aterramento Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN Esquemas padronizados de aterramento – esquema TT Esquemas padronizados de aterramento – esquema IT Instalações Elétricas Esquema TN O neutro da fonte é ligado diretamente à terra, estando as massas da instalação ligadas a esse ponto por meio de condutores metálicos (fios, cabos elétricos ou barramentos blindados). Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN O percurso de uma corrente fase-massa é de baixíssima impedância (condutor de cobre) e a corrente de falta pode atingir valores elevados e que são suficientes para serem detectados e interrompidos por disjuntores ou fusíveis. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN O ponto de alimentação (secundário do transformador ou, eventualmente, do gerador), que, geralmente, é o ponto neutro, é diretamente aterrado, sendo as massas da instalação ligadas a este ponto por meio de condutores de proteção. Se o ponto neutro não for disponível nem acessível, um condutor fase poderá ser aterrado junto ao secundário do transformador (ou gerador). Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN O esquema pode ser do tipo: TN-S quando as funções de neutro e proteção (condutor de proteção, PE – Protection Earth) forem realizadas por condutores separados TN-C quando as funções de neutro e proteção forem realizadas por um mesmo condutor (PEN) TN-C-S misto. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN No Brasil, o esquema TN-C-S é o mais comum quando se tratam de instalações alimentadas diretamente pela rede pública de baixa tensão da concessionária de energia elétrica. Neste caso, quase sempre, a instalação é do tipo TN-C até a entrada. Aí o neutro é aterrado por razões funcionais e segue para o interior da instalação separado do condutor de proteção (esquema TN-S). Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN Instalações Elétricas Esquema TN-C Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-C Permite a economia de um condutor, uma vez que tem-se um condutor com dupla função (PEN). É importante observar que esse condutor, antes de mais nada, é um condutor de proteção e deverá obedecer todas as normas para este tipo de condutores. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-C O rompimento do condutor PEN em uma instalação traz problemas sérios para segurança pois o equipamento alimentado por fase e neutro ficará com a massa em potencial igual ao potencial de fase em relação à terra. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-C Arranjo da proteção contra contatos indiretos: É obrigatória a desconexão automática no evento de uma falha de isolação. Esta desconexão deve ser provida por disjuntores (de preferência) ou fusíveis. Quando há o PEN os dispositivos de corrente residual não podem ser usados para essa finalidade desde que uma falta na isolação para terra também constitui um curto circuito fase/neutro. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-C Consequências: • Durante uma falta na isolação de AT, irá aparecer uma tensão de frequência industrial entre as partes metálicas expostas do equipamento de baixa tensão e um terra distante; • A continuidade do fornecimento de energia, a compatibilidade eletromagnética e o incêndio; • A corrente de falta é elevada (da ordem de vários KA); • Durante uma falta da isolação de BT a queda de tensão na fonte, as perturbações eletromagnéticas e o risco de danos (incêndio, enrolamentos de motores e estruturas magnéticas) são altos; • Sobretensões: durante uma falta a tensão entre as fases e as massas sobe para valores em torno de 1,45 vezes a tensão de fase/neutro. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-C O esquema TN-C é proibido para circuitos: a) com condutores inferiores a 10 mm2 b) com condutores flexíveis c) Em instalações onde há risco de incêndio ou explosão A conexão das partes metálicas estranhas do edifício ao condutor PEN cria um fluxo de corrente nas estruturas do edifício resultando em risco de incêndio e perturbações eletromagnéticas. Durante falta das isolações estas correntes de circulação são consideravelmente altas. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-C A presença de qualquer comprimento de condutor PEN em um edifício leva ao fluxo de correntes nas partes metálicas expostas e na blindagem de equipamentos alimentados por um esquema TN-S. Quando um condutor PEN é instalado em um edifício, independentemente de seu comprimento, ele leva a uma queda de tensão de frequência industrial em condições normais de operação, criando diferenças de potencial e, portanto, o fluxo de correntes em qualquer circuito formado por partes metálicas expostas da instalação, partes metálicas estranhas do edifício, cabos coaxiais e a blindagem de computadores ou sistemas de telecomunicações. Essas quedas de tensão são amplificadas em instalações modernas pela proliferação de harmônicos, principalmente de terceira ordem (a grandeza destes harmônicos é triplicada no condutor neutro ao invés de ser cancelada como no caso da fundamental). Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-C Devido às correntes de curto circuito e tensões de toque uma desconexão automática é obrigatória no evento de falha de isolação e esta desconexão precisa ser provida por disjuntores ou fusíveis. No entanto, no caso de faltas de alta impedância, as faltas podem não ser detectadas pelos circuitos de proteção. Assim, no caso de projeto, na definição de proteção contra contatos indiretos, a impedância da fonte, os circuitos a jusante (únicos a serem protegidos) e a montante precisam ser conhecidos e não podem ser modificados ao longo da vida da instalação (demanda por medições de controle para garantia de segurança). Caso hajam duas fontes (UPS, por exemplo), quando da modificação das alimentações, os dispositivos de proteção devem ser ajustados para correta operação. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-C Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-C Instalações Elétricas Esquema TN-S Esquema TN-C-S Não existem as restrições indicadas para o esquema TN-C: • pode ser usado em instalações que não sejam fixas, • com condutores de qualquer tipo e seção, • além de permitir o uso de dispositivos DR, quer como proteção contra contatos indiretos quer como proteção adicional contra contatos diretos. Obrigatório para circuitos com condutores de cobre com seções menores que 10 mm2, para condutores de alumínio menores que 16 mm2 e quando os equipamentos forem móveis. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-S Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-S É comumente conhecido como sistema a cinco condutores. Neste caso, o condutor de proteção conectado à malha de terra na origem do sistema interliga todas as massas da instalação que são compostas, principalmente, pela carcaça dos equipamentos. O condutor de proteção é responsável pela condução das correntes de defeito entre fase e massa. As massas solidárias ao condutor de proteção (PE) podem sofrer sobretensões, devido à elevação de potencial no ponto de ligação com o neutro de sistema. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-S Essa configuração traz um aspecto relevante para a segurança pessoal, pois como as massas estão ligadas ao ponto aterrado da fonte diferente do neutro, elas mantêm o mesmo potencial, que é zero, submetendo o operador do equipamento a uma tensão de toque nula. Outro aspecto positivo é que o cabo de proteção (PE) fica imune aos resíduos elétricos gerados pelos desequilíbrios das cargas e as harmônicas geradaspelas cargas não lineares que escoam pelo condutor neutro. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-S É aquele no qual o condutor neutro e o condutor de proteção são distintos. É comumente conhecido como sistema a cinco condutores. Neste caso, o condutor de proteção conectado à malha de terra na origem do sistema, que é o secundário do transformador da subestação, interliga todas as massas da instalação que são compostas principalmente pela carcaça dos motores, transformadores, quadros metálicos, suporte de isoladores etc. O condutor de proteção é responsável pela condução das correntes de defeito entre fase e massa. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-S As massas solidárias ao condutor de proteção PE (protection earth) podem sofrer sobretensões, devido à elevação de potencial do ponto neutro do sistema quando este condutor é percorrido por uma corrente de defeito. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-S Todas as massas de uma instalação devem ser ligadas ao condutor de proteção. Todas as massas de um sistema TN-S devem ser equalizadas através do condutor de proteção que deve ser interligado ao ponto da alimentação aterrado. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-S Sejam: Zs – impedância do percurso da corrente de defeito, isto é, as impedâncias da fonte, do condutor fase, até o ponto onde ocorreu a falta e do condutor de proteção em toda a sua extensão; Vfn – tensão nominal entre fase e terra ou fase e neutro Iat– corrente de defeito entre fase e terra que assegura o disparo da proteção em um tempo máximo igual aos valores estabelecidos na tabela e de acordo com as situações a seguir definidas ou a 5 s em condições previstas pela NBR 5410 em 5.1.2.2.4.1. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-S O condutor de proteção pode ser aterrado em tantos pontos quanto possível. Os dispositivos de proteção e as seções dos condutores, segundo a NBR 5410, devem ser escolhidos de forma que, ocorrendo em qualquer ponto uma falta de impedância desprezível entre um condutor fase e o condutor de proteção ou uma massa, o seccionamento ocorra automaticamente em um tempo máximo igual ao especificado. Isto pode ser atendido se for cumprida a seguinte condição: 𝐙𝐬 × 𝐈𝐚𝐭 ≤ 𝐕𝐟𝐧 Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-S Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-C-S Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN-C-S Em um esquema TN, as massas estão sempre sujeitas às sobretensões do neutro do sistema de alimentação. Em um esquema TN-S a tensão nas massas, em condições normais, é aproximadamente igual à tensão no ponto de ligação do neutro com o condutor de proteção (no BEP, barramento de equipotencialização). Em um esquema TN-C, a tensão nas massas, em condições normais, é igual à tensão no ponto de ligação entre o neutro e as massas. Devido à queda de tensão no condutor neutro, as tensões nas massas será maior no esquema TN-C que no esquema TN-S. Esquemas padronizados de aterramento – esquema TN Instalações Elétricas Esquema TN Condições de proteção RB – resistência de aterramento do secundário do transformador RE , XE – resistência e reatância do secundário do transformador RL , XL – resistência e reatância (totais) dos condutores fase, desde o transformador até a massa sob falta RPE , XPE – resistência e reatância (totais) dos condutores de proteção e/ou condutor PEN, desde a massa sob falta até o ponto de aterramento principal. Esquema TN – condições de proteção ZF – impedância de falta ZH – impedância do corpo humano R – resistência entre a pessoa e a terra (incluindo, resistência do piso e calçado, se for o caso) Esquema TN – condições de proteção Esquema TN – condições de proteção Esquema TN – condições de proteção A forma mais geral da equação do módulo da impedância do circuito de falta será: 𝑍𝑠 = 𝑅𝐸 2 + 𝑋𝐸 2 + 𝑅𝐿 2 + 𝑋𝐿 2 + 𝑍𝐹 + 𝑅𝑃𝐸 2 + 𝑋𝑃𝐸 2 𝑍𝐻 + 𝑅 + 𝑅𝐵 𝑅𝑃𝐸 2 + 𝑋𝑃𝐸 2 + 𝑍𝐻 + 𝑅 + 𝑅𝐵 Esquema TN – condições de proteção Esquema TN – condições de proteção 𝑍𝑠 = 𝑅𝐸 2 + 𝑋𝐸 2 + 𝑅𝐿 2 + 𝑋𝐿 2 + 𝑍𝐹 + 𝑅𝑃𝐸 2 + 𝑋𝑃𝐸 2 𝑍𝐻 + 𝑅 + 𝑅𝐵 𝑅𝑃𝐸 2 + 𝑋𝑃𝐸 2 + 𝑍𝐻 + 𝑅 + 𝑅𝐵 Quando efetuamos algum relaxamento (adotamos alguma simplificação), acabamos por poder efetuar alguma simplificação nesta equação. Esquema TN – condições de proteção PERGUNTA 1: Qual a pior condição para a tensão de contato presumida 𝑈𝐵? 𝑍𝑠 = 𝑅𝐸 2 + 𝑋𝐸 2 + 𝑅𝐿 2 + 𝑋𝐿 2 + 𝑍𝐹 + 𝑅𝑃𝐸 2 + 𝑋𝑃𝐸 2 𝑍𝐻 + 𝑅 + 𝑅𝐵 𝑅𝑃𝐸 2 + 𝑋𝑃𝐸 2 + 𝑍𝐻 + 𝑅 + 𝑅𝐵 Esquema TN – condições de proteção PERGUNTA 2: O que acontece com a corrente de falta se tivermos uma impedância no ponto de falta grande? E com a tensão de contato presumida neste caso? 𝑍𝑠 = 𝑅𝐸 2 + 𝑋𝐸 2 + 𝑅𝐿 2 + 𝑋𝐿 2 + 𝑍𝐹 + 𝑅𝑃𝐸 2 + 𝑋𝑃𝐸 2 𝑍𝐻 + 𝑅 + 𝑅𝐵 𝑅𝑃𝐸 2 + 𝑋𝑃𝐸 2 + 𝑍𝐻 + 𝑅 + 𝑅𝐵 Esquema TN – condições de proteção PERGUNTA 3: O que acontece com a corrente de falta se aumentarmos a área de seção do condutor de proteção? E com a tensão de contato presumida neste caso? Isso pode ter alguma vantagem? 𝑍𝑠 = 𝑅𝐸 2 + 𝑋𝐸 2 + 𝑅𝐿 2 + 𝑋𝐿 2 + 𝑍𝐹 + 𝑅𝑃𝐸 2 + 𝑋𝑃𝐸 2 𝑍𝐻 + 𝑅 + 𝑅𝐵 𝑅𝑃𝐸 2 + 𝑋𝑃𝐸 2 + 𝑍𝐻 + 𝑅 + 𝑅𝐵 ZH , R, RB, geralmente, possuem valores da ordem de muitos Ohms, sendo muito superiores à impedância total dos condutores de proteção e/ou PEN, que, normalmente, possuem valores da ordem de miliohms. Assim, é de se esperar que o percurso das correntes de falta (IF) se restrinja ao circuito formado pelos condutores fase e de proteção. Para uma falta direta fase-massa, é de se esperar que ZF seja nula e, assim, pode-se escrever que a magnitude da impedância total do percurso seja dada pela equação: Esquema TN – condições de proteção Se chamarmos de U0 a tensão fase neutro, podemos escrever: A tensão de contato UB que, no pior caso, é igual à tensão de falta, será igual à queda de tensão total nos condutores de proteção, ou seja, igual a queda entre os pontos M e O no desenho. Assim, temos: Esquema TN – condições de proteção Desta forma, podemos escrever: Esquema TN – condições de proteção Se desprezarmos as reatâncias do percurso (possível, com pouca margem de erro, para condutores com área de seção inferior a 35 mm2 e cujos condutores de proteção são conduzidos juntamente aos condutores de alimentação, em um conduto), podemos simplificar obtendo as equações seguintes: Esquema TN – condições de proteção O ideal é uma tensão UB o menor possível. Com isso, assumindo que a tensão fase-neutro, U0, podemos inferir que o ideal é o maior valor possível para a razão U0 / UB. Uma forma de se obter isso, pela equação acima, é se reduzir a resistência (impedância) do condutor de proteção, por exemplo, aumentando sua seção. Esquema TN – condições de proteção Também é fácil de se verificar que o simples aterramento das massas, ou seja, sua ligação aos condutores de proteção, não é suficiente para se garantir uma situação segura. Uma forma fácil de se avaliar isso é supondo que temos uma fonte ideal (RE = 0) e supondo que os condutores de proteção e linha tenham as mesmas especificações. Com isso, podemos obter da equação acima que: UB = U0 / 2 Isso implica que a tensão de contato assumirá valores próximos à metade da tensão fase- neutro do sistema e que pode ser considerada, ainda, potencialmente perigosa. Esquema TN – condições de proteção A condição prescrita pela NBR 5410, admitindo falta fase-terra é que: 𝒁𝑺 ∙ 𝑰𝒂 ≤ 𝑼𝟎 Em que: 𝒁𝑺 – é a impedância, em ohms, do percurso de corrente de falta, composto pela fonte, pelo condutor vivo (até o ponto de ocorrência da falta) e pelo condutor de proteção (do ponto da ocorrência da falta até a fonte). 𝑰𝒂 – é a corrente, em amperes, que assegura a atuação do dispositivo de proteção em um tempo no máximo igual ao especificado na norma ou,no máximo, 5 segundos, conforme prescrições da norma. 𝐔𝟎 – é a tensão nominal, em volts, entre fase e neutro, valor eficaz em corrente alternada. Esquema TN – condições de proteção 𝒁𝑺 ∙ 𝑰𝒂 ≤ 𝑼𝟎 No caso do uso de dispositivo DR, na prática, essa condição nem precisa ser verificada porque ZS é da ordem de miliohms (condutores metálicos) e Ia é da ordem de miliamperes (corrente de atuação do dispositivo DR). Como resultado, temos um valor da ordem de micro volts, muito inferior às especificações feitas pela norma e que são apresentadas na tabela. Esquema TN – condições de proteção 𝒁𝑺 ∙ 𝑰𝒂 ≤ 𝑼𝟎 No caso de especificação de um dispositivo de proteção contra sobrecorrente, é importante considerar: • A tensão fase-neutro (𝑼𝟎) é conhecida. • A impedância 𝒁𝑺 pode ser calculada com base nas especificações do cabeamento. • Conhecendo-se a situação (1 ou 2), entra-se com o valor de 𝑼𝟎 na tabela e obtém-se o máximo tempo de seccionamento. • Entrando com a informação de tempo na curva de tempo-corrente do dispositivo, obtém-se o valor de 𝑰𝒂. No caso de circuitos de distribuição e de circuitos terminais que só alimentem dispositivos fixos e que se enquadrem na situação 1, pode-se utilizar na curva, como parâmetro de entrada, o valor de tempo limite de 5 segundos. Esquema TN – condições de proteção Seja o trecho da instalação da figura, onde se tem uma subestação (com um transformador, um circuito de distribuição e um circuito terminal) alimentando uma massa sob falta. Os dados disponibilizados são apresentados. Esquema TN – condições de proteção – Exemplo Cálculo da resistência em todo o percurso de falta: 𝑅𝑡𝑜𝑡,𝑓𝑎𝑙𝑡𝑎 = 𝑅𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓 + 𝑅𝐿,𝑑𝑖𝑠𝑡 + 𝑅𝐿,𝑡𝑒𝑟𝑚 + 𝑅𝑃𝐸,𝑑𝑖𝑠𝑡 + 𝑅𝑃𝐸,𝑡𝑒𝑟𝑚 𝑅𝑡𝑜𝑡,𝑓𝑎𝑙𝑡𝑎 = 27,9 + (100𝑥0,841) + (30𝑥5,57) + (100𝑥1,41) +(30𝑥5,57) [mΩ] 𝑹𝒕𝒐𝒕,𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂 = 𝟎, 𝟓𝟗 𝜴 Esquema TN – condições de proteção – Exemplo Cálculo da reatância em todo o percurso de falta: 𝑋𝑡𝑜𝑡,𝑓𝑎𝑙𝑡𝑎 = 𝑋𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓 + 𝑋𝐿,𝑑𝑖𝑠𝑡 + 𝑋𝐿,𝑡𝑒𝑟𝑚 + 𝑋𝑃𝐸,𝑑𝑖𝑠𝑡 + 𝑋𝑃𝐸,𝑡𝑒𝑟𝑚 𝑋𝑡𝑜𝑡,𝑓𝑎𝑙𝑡𝑎 = 42,4 + (100𝑥0,101) + (30𝑥0,143) + (100𝑥0,112) +(30𝑥0,143) [mΩ] 𝑿𝒕𝒐𝒕,𝒇𝒂𝒍𝒕𝒂 = 𝟎, 𝟎𝟕 𝜴 Esquema TN – condições de proteção – Exemplo Cálculo da magnitude da impedância do percurso de falta: 𝑍𝑠 = 0,59 2 + 0,07 2 𝒁𝒔 = 𝟎, 𝟓𝟗 𝜴 Esquema TN – condições de proteção – Exemplo Esquema TN – condições de proteção – Exemplo Esquema TN – condições de proteção – Exemplo Assumindo o tempo indicado na tabela (0,4s) temos: Ia = 10 x 25 → Ia = 250 A Zs x Ia = 147,5 ≤ 220 Esquema TN – condições de proteção – Exemplo Assumindo o tempo máximo permitido por norma para alimentação de equipamentos fixos (5,0s) temos: Ia = 4,5 x 25 → Ia = 112,5 A Zs x Ia = 66,35 ≤ 220 Esquema TN – condições de proteção – Exemplo Assim, em ambas as situações, o disjuntor (proteção contra sobrecorrente) atende às especificações normativas podendo ser utilizado para proteção de falta neste circuito. Esquema TN – condições de proteção – Exemplo Quando se pretende usar dispositivos de proteção contra sobrecorrentes para proteção contra choques elétricos no esquema TN, é de fundamental importância conhecer a impedância 𝒁𝑺, que, no caso mais geral, inclui a impedância do secundário do transformador e as impedâncias de todos os condutores (fase e de proteção) entre o transformador e o ponto de falta. Essa impedância do percurso de falta pode ser medida ou calculada. Esquema TN – considerações impedância ZS Instalações Elétricas Relembrando Medição de impedância de falta ABNT NBR 5410 Medição de impedância de falta Medição de impedância de falta Medição de impedância de falta Instalações Elétricas retomando O método de cálculo apresentado, conforme já mencionado, apresenta uma restrição: supôs-se que o condutor de proteção é conduzido pela estrutura junto aos condutores fase e neutro. Caso isso não ocorra, a reatância do condutor de proteção apresenta aumento considerável e o cálculo torna-se complexo. Neste caso, pode-se obter, de forma simples, apenas uma informação aproximada para a impedância 𝒁𝑺. Esquema TN – considerações impedância ZS Se assumirmos o tempo máximo admitido por norma para atuação do dispositivo de proteção (5,0 s), podemos, para um dado dispositivo de proteção, encontrar o menor valor de corrente capaz de provocar o acionamento deste dispositivos no tempo máximo admitido por norma. Assim, podemos calcular: 𝒁𝑺,𝒎𝒂𝒙 = 𝑼𝟎 𝑰𝒂,𝟓𝒔 Esquema TN – considerações impedância ZS Esquema TN – considerações impedância ZS Vamos, agora considerar o esquema da figura, em que se indica uma falta direta entre fase e terra (exemplo que pode ser comum em linhas aéreas). Designaremos por RB a resistência do aterramento global e RE a resistência mínima presumida de contato com a terra dos elementos condutores não ligados à proteção. Esquema TN – considerações impedância ZS A corrente de falta (IF) percorrerá o caminho indicado e elevará o potencial do ponto P (que designaremos por UP) e, consequentemente, do condutor de proteção e das massas a ele ligadas. Desconsiderando-se as impedâncias da fonte e dos cabos de alimentação, podemos escrever: 𝑈𝑜 = 𝑅𝐵 + 𝑅𝐸 ∙ 𝐼𝐹 𝑈𝑃 = 𝑅𝐵 ∙ 𝐼𝐹 Esquema TN – considerações impedância ZS 𝑈𝑜 = 𝑅𝐵 + 𝑅𝐸 ∙ 𝐼𝐹 𝑈𝑃 = 𝑅𝐵 ∙ 𝐼𝐹 Combinando estas duas equações, podemos escrever: 𝑈𝑃 = 𝑅𝐵 𝑅𝐵 + 𝑅𝐸 ∙ 𝑈0 Esquema TN – considerações impedância ZS 𝑈𝑃 = 𝑅𝐵 𝑅𝐵 + 𝑅𝐸 ∙ 𝑈0 Para que tenhamos uma proteção efetiva, temos que garantir que a tensão no ponto P não ultrapasse os valores limites (UL, conforme tabela já mostrada e incluída abaixo). Esquema TN – considerações impedância ZS Assim, temos que impor: 𝑅𝐵 𝑅𝐵 + 𝑅𝐸 ∙ 𝑈0 ≤ 𝑈𝐿 Rearranjando esta expressão, temos: 𝑅𝐵 𝑅𝐸 ≤ 𝑈𝐿 𝑈0 − 𝑈𝐿 Esquema TN – considerações impedância ZS 𝑅𝐵 𝑅𝐸 ≤ 𝑈𝐿 𝑈0 − 𝑈𝐿 Para entendermos o significado da equação anterior, vamos tomar dois casos: • U0 = 127 Volts, situação 1 e UL = 50 Volts → 𝑅𝐵 𝑅𝐸 ≤ 0,65→ 𝑅𝐵 ≤ 1,53𝑅𝐸 • U0 = 220 Volts, situação 1 e UL = 50 Volts → 𝑅𝐵 𝑅𝐸 ≤ 0,29→ 𝑅𝐵 ≤ 3,45𝑅𝐸 Podemos concluir que, para que a tensão de contato limite não seja alcançada quando ocorrer uma fuga de fase para massa (terra), os valores de resistência de aterramento possuem valores máximos definidos de acordo com a tensão nominal do sistema. Esquema TN – considerações impedância ZS 𝑅𝐵 𝑅𝐸 ≤ 𝑈𝐿 𝑈0 − 𝑈𝐿 • U0 = 127 Volts, situação 1 e UL = 50 Volts → 𝑅𝐵 𝑅𝐸 ≤ 0,65→ 𝑅𝐵 ≤ 1,53𝑅𝐸 • U0 = 220 Volts, situação 1 e UL = 50 Volts → 𝑅𝐵 𝑅𝐸 ≤ 0,29→ 𝑅𝐵 ≤ 3,45𝑅𝐸 De outra forma, se a resistência mínima presumida for muito pequena (por exemplo em áreas molhadas) para que um dispositivo contra sobrecorrente tenha capacidade de identificar a corrente de fuga, torna-se vital que a resistência de aterramento seja muito baixa. → Deve-se ressaltar que estas considerações foram feitas assumindo que a proteção está sendo implementada utilizando-se dispositivos de proteção contra sobrecorrentes. Esquema TN – considerações impedância ZS O uso de dispositivo DR (disparado por corrente na casa de miliamperes), lembrando que a tensão no ponto P é dada por: 𝑈𝑃 = 𝑅𝐵 ∙ 𝐼𝐹 nos permite obter tensões de contato muito abaixo dos limites observados por norma, mesmo para resistências de aterramento com valores altos. Esquema TN – considerações impedância ZS O uso de dispositivos DR é obrigatório por norma em circuitos terminais: • Que sirvam a pontos de utilização situados em locais contendo banheiro ou chuveiro. • Que alimentem tomadas de corrente situadas em áreas externas à edificação. • De tomadas de corrente situadas em áreas internas que possam vir a alimentar equipamentos no exterior. • Que, em locais de habitação, sirvam a pontos de utilização situados em cozinhas, copas-cozinhas,lavanderias, áreas de serviço, garagens e demais dependências internas molhadas em uso normal ou sujeitas a lavagem. • Que, em edificações não residenciais, sirvam a pontos de utilização situados em cozinhas, copas-cozinhas, lavanderias, áreas de serviço, garagens e demais dependências internas molhadas em uso normal ou sujeitas a lavagem. Esquema TN – dispositivos de proteção Nos casos anteriormente listados, os dispositivos DR estarão proporcionando, também, a proteção contra contatos diretos. Para os circuitos referidos, a proteção diferencial poderá ser feita individualmente ou por grupos de equipamentos. Em circuitos em que as condições normativas para utilização de dispositivos de proteção contra sobrecorrente não puderem ser alcançados (𝒁𝑺 ∙ 𝑰𝒂 > 𝑼𝟎), por exemplo, devido a uma alta impedância de percurso (edificações com grandes dimensões e circuitos de comprimento longo), torna-se obrigatório o uso de dispositivos DR ou a utilização de equipotencialização (visando minimizar impedâncias de percurso). Esquema TN – dispositivos de proteção A existência de equipamentos não ligados ao condutor de proteção (devido à utilização de aterramento dedicado), a resistência de aterramento deve viabilizar corrente compatível com o dispositivo DR. Esquema TN – dispositivos de proteção Para edificações de grandes dimensões, torna-se necessária a definição da impedância de todo o percurso de falta (ZS). Os condutores vivos e os de proteção deverão fazer parte das mesmas linhas elétricas. Esquema TN – proteção contatos indiretos Considere a figura. Para que uma falta não produza efeitos danosos, necessitamos que a massa do equipamento em falta esteja no mesmo potencial elétrico de todos os elementos condutores na vizinhança da mesma. Esquema TN – proteção contatos indiretos Existe necessidade que a impedância entre as partes condutoras na região da ocorrência da falta seja aproximadamente igual ao obtido na região do quadro geral de distribuição. Providenciando-se a adequada equipotencialização, pode-se obter tensões de contato (UB) possíveis de serem calculadas, pois, as impedâncias do percurso de falta podem ser adequadamente calculadas. Esquema TN – proteção contatos indiretos Sejam: RL – resistência do condutor de fase RPE – resistência do condutor de proteção entre a massa sob falta e o ponto de referência 1 / C – fator que corrige (ou majora) a impedância (RL + RPE) Esquema TN – proteção contatos indiretos Se a equipotencialização for bem especificada, podemos assumir que a tensão de contato no ponto de falta será: 𝑈𝐵 = 𝑅𝑃𝐸 𝑅𝐿 + 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝑈0 𝑈𝐵 = 1 1 + 𝑅𝐿 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝑈0 → 𝑈𝐵 = 1 1 + 𝜌𝐿𝑙𝐿 𝑆𝐿 𝜌𝑃𝐸𝑙𝑃𝐸 𝑆𝑃𝐸 ∙ 𝑈0 Assumindo que os condutores são do mesmo material e possuem o mesmo comprimento, podemos escrever: 𝑈𝐵 = 1 1 + 𝑆𝑃𝐸 𝑆𝐿 ∙ 𝑈0 Esquema TN – proteção contatos indiretos 𝑈𝐵 = 1 1 + 𝑆𝑃𝐸 𝑆𝐿 ∙ 𝑈0 Esquema TN – proteção contatos indiretos Para trabalharmos apenas com o circuito terminal, podemos inserir um fator de correção (C) para transformarmos a equação anterior (em que temos a impedância de todo o circuito) em uma em que temos somente as resistências do circuito terminal. Assim, estamos admitindo que a resistência de todo o percurso de falta é um múltiplo inteiro da resistência do circuito terminal. Portanto, temos: 𝑈𝐵 = 𝑅𝑃𝐸 1 𝐶 𝑅𝐿 + 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝑈0 Esquema TN – proteção contatos indiretos Se assumirmos que os condutores de alimentação e proteção seguem pelos mesmos condutos e são do mesmo material, podemos assumir que os mesmos possuem resistências proporcionais e dependentes de suas respectivas áreas de áreas de seção. Assim, pode-se escrever um fator m de proporcionalidade que pode ser calculado por: 𝑚 = 𝑅𝐿 𝑅𝑃𝐸 = 𝑆𝑃𝐸 𝑆𝐿 Esquema TN – proteção contatos indiretos 𝑈𝐵 = 𝑅𝑃𝐸 1 𝐶 𝑅𝐿 + 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝑈0 Reescrevendo esta equação introduzindo o fator m anteriormente definido, temos: 𝑈𝐵 = 𝑅𝑃𝐸 𝑅𝐿 1 𝐶 1+ 𝑅𝑃𝐸 𝑅𝐿 ∙ 𝑈0 → 𝑈𝐵 = 1 𝑚 1 𝐶 1+ 1 𝑚 ∙ 𝑈0 𝑈𝐵 = 1 𝑚 1 𝐶 𝑚+ 1 𝑚 ∙ 𝑈0 𝑈𝐵 = 𝐶𝑈0 ∙ 1 1 +𝑚 Esquema TN – proteção contatos indiretos 𝑈𝐵 = 𝐶𝑈0 ∙ 1 1 +𝑚 O fator C, normalmente, assume valores entre 0,6 (caso de circuito muito distante da fonte) e 1 (caso de circuito diretamente ligado à fonte). 0,6 ≤ C ≤ 1 Esquema TN – proteção contatos indiretos 𝑈𝐵 = 𝐶𝑈0 ∙ 1 1 + 𝑚 O fator m, que relaciona as resistências dos condutores de alimentação e de proteção, possui valores típicos na seguinte faixa: 1 ≤ m ≤ 3 Sendo que para seções de condutores abaixo de 16 mm2, o valor típico é igual a 1. Esquema TN – proteção contatos indiretos Lembrando que a condição prescrita pela NBR 5410, admitindo falta fase-terra é que: 𝒁𝑺 ∙ 𝑰𝒂 ≤ 𝑼𝟎 No caso temos: 1 𝐶 𝑅𝐿 + 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝐼𝑎 ≤ 𝑈0 Esquema TN – proteção contatos indiretos 1 𝐶 𝑅𝐿 + 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝐼𝑎 ≤ 𝑈0 𝐼𝑎 ≤ 𝐶𝑈0 𝑅𝐿 + 𝑅𝑃𝐸 𝐼𝑎 ≤ 𝐶𝑈0 𝜌𝑙 1 𝑆𝐿 + 1 𝑆𝑃𝐸 Esquema TN – proteção contatos indiretos 𝐼𝑎 ≤ 𝐶𝑈0 𝜌𝑙 1 𝑆𝐿 + 1 𝑆𝑃𝐸 𝐼𝑎 ≤ 𝐶𝑈0 𝜌𝑙 𝑚 + 1 𝑆𝑃𝐸 Esquema TN – proteção contatos indiretos 𝐼𝑎 ≤ 𝐶𝑈0 𝜌𝑙 1 +𝑚 𝑆𝑃𝐸 𝑙 ≤ 𝐶𝑈0 𝜌𝐼𝑎 1 +𝑚 𝑆𝑃𝐸 → 𝑙 ≤ 𝐶𝑈0 𝜌𝐼𝑎 1 + 𝑆𝑃𝐸 𝑆𝐿 𝑆𝑃𝐸 Esquema TN – proteção contatos indiretos 𝐼𝑎 ≤ 𝐶𝑈0 𝜌𝑙 1 +𝑚 𝑆𝑃𝐸 𝑙 ≤ 𝐶𝑈0 𝜌𝐼𝑎 1 + 𝑚 𝑆𝑃𝐸 Nestas equações, tem-se: ρ – resistividade do condutor fase (Ω.mm2/m) e, no caso do cobre, valor típico é 0,0225 Ω.mm2/m, para temperatura de 980C. SPE – seção nominal dos condutores de proteção do circuito (mm 2). Ia – corrente que garante a atuação do dispositivo a sobrecorrente em um tempo t, conforme tabela já apresentada, ou igual a 5s. U0 – tensão fase neutro da instalação em Volts. c – fator de correção para a impedância do circuito a montante do circuito terminal. m – relação/razão entre especificações dos condutores de proteção e os condutores vivos vivos da instalação. Esquema TN – proteção contatos indiretos Considere os seguintes dados: • Condutores de cobre (ρ =0,0225 Ω.mm2/m) e com SL = SPE = 2,5 mm2 (m = 1). • Disjuntor conforme NBR NM 60898 16A. • Tensão fase neutro da instalação U0 = 127 Volts. • Situação 2, com C = 0,8. Calcular a máxima distância do circuito terminal que ainda é assegurada a proteção por contatos indiretos com a utilização de dispositivos de proteção contra sobrecorrentes. Esquema TN – proteção contatos indiretos – exemplo • Condutores de cobre (ρ =0,0225 Ω.mm2/m) e com SL = SPE = 2,5 mm2 (m = 1). • Disjuntor conforme NBR NM 60898 16A. • Tensão fase neutro da instalação U0 = 127 Volts. • Situação 2, com C = 0,8. 𝑈𝐵 = 𝐶𝑈0 ∙ 1 1 +𝑚 → 𝑈𝐵 = 0,8.127 ∙ 1 1 + 1 = 50,8 𝑉 𝑈𝐵 = 50,8 𝑉 Esquema TN – proteção contatos indiretos – exemplo • Condutores de cobre (ρ =0,0225 Ω.mm2/m) e com SL = SPE = 2,5 mm 2 (m = 1). • Disjuntor conforme NBR NM 60898 16A. • Tensão fase neutro da instalação U0 = 127 Volts. • Situação 2, com C = 0,8. Esquema TN – proteção contatos indiretos – exemplo • Condutores de cobre (ρ =0,0225 Ω.mm2/m) e com SL = SPE = 2,5 mm 2 (m = 1). • Disjuntor conforme NBR NM 60898 16A. • Tensão fase neutro da instalação U0 = 127 Volts. • Situação 2, com C = 0,8. 𝐼𝑎 = 10 𝑥 16 = 160 𝐴 Esquema TN – proteção contatos indiretos – exemplo • Condutores de cobre (ρ =0,0225 Ω.mm2/m) e com SL = SPE = 2,5 mm 2 (m = 1). • Disjuntor conforme NBR NM 60898 16A. • Tensão fase neutro da instalação U0 = 127 Volts. • Situação 2, com C = 0,8. 𝐼𝑎 = 10 𝑥 16 = 160 𝐴 𝑙 ≤ 𝐶𝑈0 𝜌𝐼𝑎 1 + 𝑚 𝑆𝐿 𝑙 ≤ 0,8 𝑥 127 0,0225 𝑥 160 1 + 1 𝑥2,5 𝐥 ≤ 𝟑𝟓, 𝟑 𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬 Esquema TN – proteção contatos indiretos – exemplo Essa é o máximo comprimento do circuito terminal (distância entre o ponto de instalação do dispositivo de proteção contra sobre corrente e o ponto de instalação da carga) • Condutores de cobre (ρ =0,0225 Ω.mm2/m) e com SL = SPE = 2,5 mm 2 (m = 1). • Disjuntor conforme NBRNM 60898 16A. • Tensão fase neutro da instalação U0 = 127 Volts. • Situação 2, com C = 0,8. 𝐥 ≤ 𝟑𝟓, 𝟑 𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬 𝐥𝐦𝐚𝐱 = 𝟑𝟓, 𝟑 𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬 Deve-se ressaltar que, para que este comprimento máximo do circuito seja aceitável, duas condições devem existir (requisitos apresentados durante a dedução das equações): a) O condutor de proteção esteja contido na mesma linha elétrica dos condutores vivos. b) Exista um ponto de referência no nível da origem do circuito terminal. Esquema TN – proteção contatos indiretos – exemplo 1. Definir o tipo de circuito terminal quanto aos equipamentos a serem alimentados (fixos ou não). 2. Definir a situação (1 ou 2) do local em que se situa o circuito. 3. Determinar o tempo máximo de seccionamento do circuito. 4. Da característica tempo versus corrente do dispositivo de proteção, obter a corrente de atuação correspondente. 5. Calcular o comprimento máximo e comparar com o comprimento do circuito real. Caso o comprimento máximo seja menor que o comprimento real do circuito, pode-se: a) Aumentar a seção dos condutores e proceder a nova verificação. b) Instalar um dispositivo DR (TN-S ou TN-C-S) c) Estabelecer ligações equipotenciais adicionais Esquema TN – DEFINIÇÃO DE ETAPAS Considere os seguintes dados: • Condutores de cobre (ρ =0,0225 Ω.mm2/m) e com SL = SPE = 2,5 mm2 (m = 1). • Fusível gG de 16A. • Tensão fase neutro da instalação U0 = 127 Volts. • Situação 2, com C = 0,8. Calcular a máxima distância do circuito terminal que ainda é assegurada a proteção por contatos indiretos com a utilização de dispositivos de proteção contra sobrecorrentes. Esquema TN – proteção contatos indiretos – exemplo • Condutores de cobre (ρ =0,0225 Ω.mm2/m) e com SL = SPE = 2,5 mm2 (m = 1). • Fusível gG de 16A. • Tensão fase neutro da instalação U0 = 127 Volts. • Situação 2, com C = 0,8. 𝑈𝐵 = 𝐶𝑈0 ∙ 1 1 +𝑚 → 𝑈𝐵 = 0,8.127 ∙ 1 1 + 1 = 50,8 𝑉 𝑈𝐵 = 50,8 𝑉 Esquema TN – proteção contatos indiretos – exemplo • Condutores de cobre (ρ =0,0225 Ω.mm2/m) e com SL = SPE = 2,5 mm 2 (m = 1). • Fusível gG de 16A. • Tensão fase neutro da instalação U0 = 127 Volts. • Situação 2, com C = 0,8. Esquema TN – proteção contatos indiretos – exemplo • Condutores de cobre (ρ =0,0225 Ω.mm2/m) e com SL = SPE = 2,5 mm 2 (m = 1). • Fusível gG de 16A. • Tensão fase neutro da instalação U0 = 127 Volts. • Situação 2, com C = 0,8. 𝐼𝑎 = 110 𝐴 Esquema TN – proteção contatos indiretos – exemplo • Condutores de cobre (ρ =0,0225 Ω.mm2/m) e com SL = SPE = 2,5 mm 2 (m = 1). • Fusível gG de 16A. • Tensão fase neutro da instalação U0 = 127 Volts. • Situação 2, com C = 0,8. 𝐼𝑎 = 110 𝐴 𝑙 ≤ 𝐶𝑈0 𝜌𝐼𝑎 1 + 𝑚 𝑆𝐿 𝑙 ≤ 0,8 𝑥 127 0,0225 𝑥 110 1 + 1 𝑥2,5 𝐥 ≤ 𝟓𝟏, 𝟑 𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬 Esquema TN – proteção contatos indiretos – exemplo • Condutores de cobre (ρ =0,0225 Ω.mm2/m) e com SL = SPE = 2,5 mm 2 (m = 1). • Fusível gG de 16A. • Tensão fase neutro da instalação U0 = 127 Volts. • Situação 2, com C = 0,8. 𝐥 ≤ 𝟓𝟏, 𝟑 𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬 𝐥𝐦𝐚𝐱 = 𝟓𝟏, 𝟑 𝐦𝐞𝐭𝐫𝐨𝐬 Deve-se ressaltar que, para que este comprimento máximo do circuito seja aceitável, duas condições devem existir (requisitos apresentados durante a dedução das equações): a) O condutor de proteção esteja contido na mesma linha elétrica dos condutores vivos. b) Exista um ponto de referência no nível da origem do circuito terminal. Esquema TN – proteção contatos indiretos – exemplo Esquema TN – fusíveis gG de 16A Como podem existir vários equipamentos conectados ao circuito, uma proteção adequada pode ser garantida para um e não ser para outro (por exemplo, se as diversas massas forem associadas a situações diferentes). Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE Recomenda-se que, sempre que possível, o condutor de proteção, isto é, o sistema de condutores de proteção, seja aterrado em vários pontos (aterramento múltiplo), a fim de assegurar, em caso de falta, que seu potencial e o das massas que lhe são ligadas fique tão próximo quanto possível do potencial da terra. Um exemplo desta situação pode ser observado na figura ao lado. Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE Desprezando-se as reatâncias dos condutores e admitâncias das massas sob falta no extremo do circuito, pode-se encontrar o circuito equivalente do circuito conforme apresentado, quando de uma condição de falta. A impedância do percurso da corrente de falta IF é dada por: 𝑍𝑆 = 𝑅𝐿 + 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝑅𝑃𝐸 + 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 A corrente de falta se divide por dois caminhos: um pelo caminho de proteção e outro pelo caminho alternativo conectado ao terra (que deve apresentar maior impedância). A corrente de falta será: 𝐼𝐹 = 𝑈0 𝑍𝑆 = 𝑈0 𝑅𝐿 + 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝑅𝑃𝐸 + 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE 𝐼𝐹 = 𝑈0 𝑅𝐿 + 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝑅𝑃𝐸 + 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 A tensão entre os eletrodos será: 𝑈′ = 𝐼𝐹 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝑅𝑃𝐸 + 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 E as correntes podem ser definidas por: 𝐼𝐹1 = 𝐼𝐹 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝑅𝑃𝐸 + 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝑅𝑃𝐸 𝐼𝐹2 = 𝐼𝐹 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝑅𝑃𝐸 + 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE 𝐼𝐹1 = 𝐼𝐹 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝑅𝑃𝐸 + 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝑅𝑃𝐸 𝐼𝐹2 = 𝐼𝐹 𝑅𝑃𝐸 ∙ 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝑅𝑃𝐸 + 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2 E os potenciais em cada eletrodo será: 𝑈1 = 𝐼𝐹2 ∙ 𝑅𝐵1 𝑈2 = 𝐼𝐹2 ∙ 𝑅𝐵2 Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE – exemplo Usando os dados do problema e analisando uma condição em que não existe aterramento múltiplo, ou seja, o único ponto de aterramento se encontra na entrada da instalação (aterramento da alimentação). Assumiremos que ZF = 0 (curto franco entre fase e massa). A corrente de falta será dada por: 𝐼𝐹 = 𝑈0 𝑅𝐿 + 𝑅𝑃𝐸 A tensão de contato presumida será de: 𝑈𝐵 = 𝑅𝑃𝐸 𝑅𝐿 + 𝑅𝑃𝐸 𝑈0 Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE – exemplo 𝑈𝐵 = 𝑅𝑃𝐸 𝑅𝐿 + 𝑅𝑃𝐸 𝑈0 Assumindo os valores dados, temos que: 𝑈𝐵 = 206,99 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 e 𝐼𝐹 = 2957 𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑒𝑠 (Esta é a tensão sobre a massa da instalação nesta condição de falta) Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE – exemplo Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE – exemplo Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE – exemplo Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE – exemplo Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE – exemplo Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE – exemplo Pelo exemplo, percebe-se que o aterramento múltiplo do condutor de proteção, feito a intervalos regulares, reduzirá as tensões de contato presumidas ao longo da instalação. Porém, nem sempre é possível (ou viável) realizar tal aterramento múltiplo. A desvantagem do aterramento múltiplo é que as correntes de curto circuito de outros circuitos podem compartilhar deste caminho condutor de baixa impedância, contaminando as massas dos equipamentos elétricos (introduzindo potenciais indesejados nessas massas). Esquema TN – aterramento múltiplo de condutor PE – considerações