Aterramento elétrico: Fundamentos do sistema de proteção

O sistema de equalização de potencial, popularmente conhecido como aterramento, é um sistema proteção que estabelece uma referência de potencial zero volt através da conexão intencional de partes metálicas e massas condutoras ao solo, criando um caminho de baixa resistência para correntes de falta e fenômenos transitórios.

A compreensão adequada dos princípios que regem os sistemas de equalização de potencial é essencial para profissionais da área elétrica, uma vez que sua implementação inadequada pode comprometer não apenas a eficácia dos equipamentos de proteção, mas também a segurança de pessoas e patrimônio.

Princípio físicos e fundamentos teóricos

Resistividade do solo:

O solo apresenta características elétricas variáveis que influenciam diretamente a eficácia do sistema de aterramento.

A resistividade do terreno varia significativamente conforme sua composição mineralógica, umidade, temperatura e compactação.

Solos argilosos úmidos apresentam resistividade típica entre 10 a 100 Ω.m, enquanto solos arenosos secos podem atingir valores superiores a 1000 Ω.m.

A medição precisa da resistividade é fundamental para o dimensionamento adequado do sistema, sendo realizada através do método de Wenner ou Schlumberger, que permitem determinar as características resistivas do terreno em diferentes profundidades.

Leia também:

• Quadro de distribuição: Centro de controle e proteção de instalações
• DPS – Dispositivo de proteção contra raios e picos de tensão

Gradiente de potencial

Durante eventos de falta ou descargas atmosféricas, a injeção de corrente no solo cria um gradiente de potencial que se distribui radialmente a partir do ponto de injeção. Este fenômeno, conhecido como cone de dispersão, determina as tensões de passo e toque que podem surgir durante condições anormais de operação.

A análise deste gradiente é crucial para garantir que as tensões resultantes permaneçam dentro dos limites de segurança estabelecidos pelas normas técnicas, protegendo pessoas contra choques elétricos potencialmente fatais.

Tipos de sistemas de equalização

Sistema TN (Terra-Neutro): Nesta configuração, o neutro da fonte de alimentação é diretamente conectado à terra, e as massas dos equipamentos são ligadas a este ponto através do condutor de proteção, também conhecido como cabo terra. O sistema TN subdivide-se em:

• TN-S (Separado): O condutor neutro e o condutor de proteção são distintos em todo o sistema, proporcionando maior segurança e menor interferência eletromagnética;
• TN-C (Combinado): Um único condutor (PEN) que desempenha simultaneamente as funções de neutro e proteção, configuração que apresenta limitações de segurança e aplicação;
• TN-C-S (Combinado-Separado): Combinação dos sistemas anteriores, onde parte da instalação utiliza condutor PEN e parte emprega condutores separados.
• Sistema TT (Terra-Terra): Caracteriza-se pela conexão independente entre o neutro da fonte e as massas dos equipamentos ao solo. Este sistema requer a utilização obrigatória de interruptor diferenciais residuais-IDR para garantir proteção adequada contra contatos indiretos, uma vez que as correntes de falta são limitadas pela resistência de dispersão.
• Sistema IT (Isolado-Terra): O neutro da fonte permanece isolado da terra ou conectado através de alta impedância, enquanto as massas são aterradas. Este sistema oferece continuidade de serviço superior, pois a primeira falta não provoca desligamento automático, sendo amplamente utilizado em aplicações críticas como hospitais e indústrias de processo contínuo.

Componentes do sistema de equalização

Eletrodos de dispersão:

• Hastes de aterramento: Condutores metálicos cravados verticalmente no solo, constituindo a forma mais comum de eletrodo. Fabricadas tipicamente em aço galvanizado ou aço cobreado, apresentam comprimentos padronizados de 2,4m ou 3,0m;
• Fitas e cabos nus: Condutores horizontais instalados em valas, proporcionando maior área de contato com o solo. Especialmente eficazes em terrenos de alta resistividade, onde a extensão horizontal compensa a limitação da profundidade;
• Malhas de equalização: Redes condutoras que interligam múltiplos eletrodos, criando sistemas de baixa resistência e distribuição uniforme de potencial. Fundamentais em subestações e instalações industriais de grande porte.

Condutores de equalização

• Condutor de proteção (PE): Conecta as massas dos equipamentos ao sistema de aterramento, devendo apresentar continuidade elétrica e capacidade de corrente adequada às condições de falta.
• Condutor de equipotencialização: Interliga elementos condutores estranhos à instalação elétrica, como tubulações metálicas, estruturas e blindagens, eliminando diferenças de potencial perigosas.

Funções de proteção de segurança

Proteção contra choques elétricos:

O sistema de equalização constitui elemento fundamental na proteção contra contatos indiretos, garantindo que faltas de isolamento provoquem a atuação dos dispositivos de proteção antes que tensões perigosas se estabeleçam nas massas dos equipamentos.

A eficácia desta proteção depende da coordenação adequada entre a resistência de dispersão do sistema e as características dos dispositivos de proteção instalados, sejam eles disjuntores ou interruptor diferenciais residuais.

Proteção contra sobretensões:

Durante descargas atmosféricas ou manobras em sistemas de potência pelas concessionárias de energia, o sistema de equalização oferece caminho de baixa impedância para a dissipação de correntes transitórias.

Esta função é essencial para a eficácia de dispositivos de proteção contra sobretensões, que dependem fundamentalmente da qualidade do sistema de dispersão para drenar adequadamente as correntes de descarga.

Proteção patrimonial:

Além da segurança pessoal, o sistema de equalização protege equipamentos e instalações contra danos causados por correntes de falta e fenômenos transitórios.

A rápida eliminação de defeitos minimiza os efeitos térmicos e dinâmicos das correntes de curto-circuito, preservando a integridade dos componentes da instalação.

Critérios de dimensionamento

Resistência de dispersão:

O valor da resistência de dispersão constitui o parâmetro fundamental para avaliação da adequação do sistema. As normas técnicas estabelecem valores máximos de resistência conforme a aplicação:

• Instalações residenciais: ≤ 25 Ω (NBR 5410);
• Instalações industriais: ≤ 10 Ω (recomendado);
• Subestações: ≤ 1 Ω (conforme tensão e potência).

Capacidade de corrente:

Os condutores do sistema devem suportar as correntes máximas de falta sem apresentar aquecimento excessivo ou deterioração. O dimensionamento baseia-se na corrente máxima de curto-circuito e no tempo de atuação dos dispositivos de proteção.

Resistência à corrosão:

A durabilidade do sistema requer seleção adequada de materiais resistentes à corrosão eletroquímica. A compatibilidade entre diferentes metais deve ser observada para evitar corrosão galvânica, que pode comprometer a integridade do sistema ao longo do tempo.

Medições e ensaios

Medição de resistência de dispersão:

A verificação da resistência de dispersão é realizada através de terrômetros que aplicam corrente alternada entre o eletrodo sob teste e eletrodos auxiliares posicionados a distâncias adequadas.

O método de medição deve considerar as características do solo e a geometria do sistema de equalização.

Medição de resistividade do solo:

A caracterização do terreno através de medições de resistividade permite o projeto otimizado do sistema de aterramento. As medições são realizadas em diferentes épocas do ano para considerar variações sazonais de umidade que influenciam significativamente os valores obtidos.

Ensaios de continuidade:

A verificação da continuidade dos condutores de proteção e equalização garante que o sistema mantenha suas características elétricas ao longo do tempo. Estes ensaios identificam conexões defeituosas, condutores rompidos ou corroídos que possam comprometer a segurança da instalação.

Manutenção e inspeção

Inspeções visuais:

Inspeções periódicas das conexões, condutores e eletrodos identificam sinais de deterioração, corrosão ou danos mecânicos que possam afetar a integridade do sistema. Particular atenção deve ser dada às conexões enterradas, pontos críticos para a manutenção da continuidade elétrica.

Medições periódicas:

A resistência de dispersão deve ser medida periodicamente para verificar se permanece dentro dos limites especificados. Variações significativas podem indicar deterioração dos eletrodos, alterações nas características do solo ou problemas nas conexões.

Manutenção corretiva:

Quando as medições indicam valores inadequados de resistência, medidas corretivas devem ser implementadas. Estas podem incluir a instalação de eletrodos adicionais, melhoria das conexões, tratamento químico do solo ou substituição de componentes deteriorados.

Aspectos normativos e regulamentares

Normas Brasileiras:

A NBR 5410 – regula as instalações elétricas de baixa tensão – estabelece os requisitos fundamentais para sistemas de equalização em instalações de baixa tensão, definindo critérios de dimensionamento, instalação e verificação.

Para instalações industriais e de média tensão, aplicam-se adicionalmente as prescrições da NBR 14039 – regula as Instalações elétricas de média tensão de 1,0 kV a 36,2 kV.

Normas internacionais:

A série de normas IEC 60364 fornece diretrizes internacionais para sistemas de equalização, servindo como referência para harmonização técnica global.

A coordenação entre normas nacionais e internacionais garante consistência técnica e segurança adequada.

Considerações especiais para diferentes aplicações

Instalações residenciais:

Em residências, o sistema de equalização deve atender aos requisitos básicos de segurança com custo adequado. A configuração típica emprega hastes de aterramento conectadas ao quadro de distribuição através de condutor de cobre, com resistência de dispersão não superior a 25 Ω.

Instalações comerciais:

Edifícios comerciais requerem sistemas mais robustos devido à maior densidade de equipamentos eletrônicos e maior número de usuários. A implementação de malhas de equalização e múltiplos eletrodos garante distribuição uniforme de potencial e baixa resistência de dispersão.

Instalações industriais:

Indústrias apresentam requisitos especiais devido à presença de equipamentos de alta potência, ambientes agressivos e necessidade de continuidade operacional. Os sistemas de equalização devem ser dimensionados considerando correntes de falta elevadas e condições ambientais adversas.

Instalações hospitalares:

Ambientes hospitalares exigem cuidados especiais devido à presença de pacientes vulneráveis e equipamentos médicos sensíveis. Sistemas de equalização redundantes e monitoramento contínuo da integridade elétrica garantem segurança máxima.

Integração com sistemas de proteção eletrônica

Compatibilidade eletromagnética:

O sistema de aterramento influencia significativamente a compatibilidade eletromagnética da instalação, afetando o funcionamento de equipamentos eletrônicos sensíveis. O projeto adequado considera aspectos de blindagem e filtragem para minimizar interferências.

Sistemas de proteção contra sobretensões:

A eficácia de dispositivos de proteção contra sobretensões depende fundamentalmente da qualidade do sistema de equalização. Resistências de dispersão elevadas comprometem a capacidade de drenagem de correntes transitórias, reduzindo significativamente a proteção oferecida.

Sistemas de automação e comunicação:

Equipamentos de automação industrial e sistemas de comunicação requerem referências de potencial estáveis e livres de ruído. O sistema de equalização deve ser projetado considerando aspectos de alta frequência e distribuição de impedâncias para garantir funcionamento adequado destes sistemas.

Tendências tecnológicas

Materiais avançados:

O desenvolvimento de novos materiais condutores e eletrodos de alta tecnologia promete melhorar a durabilidade e eficácia dos sistemas de equalização. Eletrodos de grafite expandido e compostos condutores especiais oferecem alternativas interessantes para aplicações específicas.

Monitoramento inteligente:

Sistemas de monitoramento contínuo da resistência de dispersão e integridade do sistema de equalização permitem manutenção preditiva e maior confiabilidade operacional. Sensores inteligentes e comunicação sem fio facilitam a implementação destes sistemas.

Simulação computacional:

Ferramentas de simulação eletromagnética permitem análise precisa do comportamento dos sistemas de equalização em diferentes condições operacionais. Estas ferramentas auxiliam no projeto otimizado e na previsão do desempenho do sistema antes da implementação física.

Conclusão

O sistema de aterramento de potencial elétrico constitui elemento fundamental para a segurança e funcionalidade das instalações elétricas modernas. Sua implementação adequada requer conhecimento técnico especializado, consideração cuidadosa das características locais e coordenação com demais sistemas de proteção.

A evolução tecnológica contínua e o surgimento de novos equipamentos eletrônicos sensíveis tornam cada vez mais crítica a qualidade dos sistemas de equalização. Investimentos em projeto adequado, materiais de qualidade e manutenção preventiva garantem operação segura e confiável ao longo da vida útil da instalação.

A compreensão dos princípios fundamentais apresentados nesta introdução fornece a base necessária para o aprofundamento em aspectos específicos dos sistemas de equalização, capacitando profissionais para enfrentar os desafios crescentes da engenharia elétrica moderna.