Malhas de Terra: Subestações de Potência e Aerogeradores

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Malhas de Terra: Subestações de Potência e Aerogeradores

Este é o primeiro texto de uma jornada de três artigos especiais sobre Malhas de Terra – Subestações de Potência e Aerogeradores, para você acompanhar aqui no blog.

1 – Introdução

Toda instalação elétrica deve possuir um ponto conectado à terra que serve como referência do sistema. Esse ponto pode ser constituído de apenas uma haste metálica ou de uma grande malha de terra formada por cabos elétricos nus, hastes metálicas e soldas exotérmicas ou conectores metálicos (somente para pequenas malhas).

Ao ponto de terra devem ser ligadas todas as partes metálicas não condutoras do sistema, o neutro do transformador, se ligado em estrela, e os captores do sistema de descargas atmosféricas.

A corrente elétrica do sistema que flui para terra espalha-se pelas comadas do solo no formato ilustrado na Figura 1. A resistência que o solo oferece à passagem da corrente elétrica, que sai do eletrodo metálico e penetra na terra, é denominada de resistência de terra ou resistência de aterramento, e seu valor varia de conformidade da constituição do solo. Solos rochosos e pedregosos oferecem uma grande resistência ao fluxo de corrente do eletrodo (hastes e cabos) para a terra.

Já os solos, como aqueles denominados de terra vermelha, contendo na sua composição, entre outros materiais, o ferro, que lhe dá a cor avermelhada, apresentam uma baixa resistividade.

Figura 1 – Fluxo da corrente fluindo pelo solo

Testes realizados demonstraram que 90% da resistência elétrica total de um solo que envolve um eletrodo, nele enterrado, se situam geralmente dentro de um raio de 2m do eixo geométrico do referido eletrodo.

Dessa forma explica-se porque é normal durante o tratamento do solo, através de produtos químicos, retirar-se a terra em torno do eletrodo misturando-a com substâncias redutoras de resistividade do solo, largamente comercializadas em lojas de materiais elétricos.

Com esse procedimento, produz-se artificialmente um eletrodo de grande seção transversal S cuja resistência pode ser dada pela conhecida expressão R = ρ x L/S em que R, a resistência, é inversamente proporcional a área S. Como o valor de S, em mm², é muito elevado, R torna-se muito pequeno.

Para solos de alta resistividade pode-se utilizar a terra vermelha associada à certa quantidade de bentonita, que tem baixa resistividade (cerca de 4 Ω.m), e que é um produto hidroscópico que absorve umidade do solo circundante ao eletrodo, estabilizando a resistência ao fluxo de corrente haste-solo.

2 – Malha de Terra

A malha de terra de subestações, já mencionada anteriormente, é tradicionalmente constituída de cabos de cobre nu, associados a hastes aço cobreado instalados a uma profundidade de 55 cm abaixo do nível do solo.

No entanto, a malha de terra pode ser formada por fundações de concreto armado de edificações. Por exemplo, a malha de terra dos aerogeradores pode ser constituída pela densa ferragem estrutural da base da torre, coberta por toneladas de concreto.

Para definir os parâmetros de uma malha de terra, deve-se conhecer o valor da corrente de curto-circuito fase e terra e o valor da resistividade do solo obtida por meio de medição em campo. A malha de terra de qualquer sistema elétrico deve ser projetada para atingir os seguintes propósitos; [1] proteger os profissionais que trabalham no local; [2] proteger os equipamentos instalados; [3] ser base de referência do sistema.

2.1 – Corrente de curto-circuito

As correntes de curto-circuito utilizadas no cálculo da malha de terra devem ser decorrentes de defeitos monopolares, bipolares com terra e defeitos fase e terra com elevada resistência de contato, conforme ilustrado na Figura 2.

Figura 2 – Ilustração da resistência de contato para defeitos monopolares

pátio de uma subestação normalmente pode estar submetido a dois tipos de defeitos monopolares gerando duas grandes correntes, pois existem o barramento de tensão mais elevada (p. ex. 230 kV) e o barramento de menor tensão (p. ex. 34,5 kV). O projetista deve selecionar a maior corrente de defeito, normalmente a corrente monopolar máxima, independentemente do nível de tensão do barramento, para determinar a seção do cabo da malha de terra.

A corrente de defeito bipolar com terra é utilizada para verificação do ajuste da proteção, enquanto a corrente de defeito monopolar, com resistência de contato elevada, é utilizada para o ajuste da proteção de neutro, denominada de neutro sensível – 50NS. Em geral, a resistência de contato pode variar numa grande faixa de valores, dependendo da resistência elétrica do material sobre o qual o cabo entra em contato com a terra: asfalto, paralelepípedo e pisos intertravados etc. são materiais de elevada resistência à passagem da corrente elétrica.

O valor da resistência de contato, normalmente utilizado no cálculo da corrente mínima de curto-circuito, é de 100 Ω. Normalmente, a corrente de curto-circuito monopolar utilizada para cálculo da seção da malha de terra corresponde aos defeitos no lado menor tensão.

O projetista deve selecionar a maior corrente de defeito, normalmente a corrente monopolar máxima, independentemente do nível de tensão do barramento, para determinar a seção do cabo da malha de terra. A corrente de defeito bipolar com terra é utilizada para verificação do ajuste da proteção, enquanto a corrente de defeito monopolar, com resistência de contato elevada, é utilizada para o ajuste da proteção de neutro, denominada de neutro sensível – 50NS.

Em geral, a resistência de contato pode variar numa grande faixa de valores, dependendo da resistência elétrica do material sobre o qual o cabo entra em contato com a terra: asfalto, paralelepípedo e pisos intertravados etc. são materiais de elevada resistência à passagem da corrente elétrica. O valor da resistência de contato, normalmente utilizado no cálculo da corrente mínima de curto-circuito, é de 100 Ω.

Normalmente, a corrente de curto-circuito monopolar utilizada para cálculo da seção da malha de terra corresponde aos defeitos no lado menor tensão.

Para as subestações que utilizam cabos isolados, deve-se determinar a seção da blindagem metálica desses cabos, em função da corrente máxima de curto-circuito monopolar. Se essas correntes são muito elevadas, a seção da blindagem pode chegar a valores também muito elevados, inviabilizando comercialmente o cabo.

Nesse caso, deve-se utilizar um resistor de aterramento no neutro do transformador com capacidade de reduzir a corrente de fase e terra a valores baixos que permitam uma blindagem metálica do cabo numa proporção aproximada de Scabo /20; assim, um cabo de 300 mm² deve ter uma seção de blindagem econômica de 15 mm², ou seja: 300/20 = 15 mm².

Esse é um número empírico de base para a definição aproximada da seção da blindagem metálica. A menor seção de blindagem metálica de um cabo isolado, por norma, é de 6 mm². Blindagens com seções muito pequenas tornam-se frágeis quando do manuseio do cabo em campo.

No entanto, a instalação do resistor de aterramento pode provocar sobretensões nas fases não comprometidas do alimentador. Essas sobretensões poderão danificar os para-raios instalados ao longo do alimentador, se não foram dimensionados para receber esse nível de sobretensão.

2.2 – Medição de resistividade do solo

O Método de Wenner é a mais consagrada ferramenta para a medição de resistividade do solo, baseada nos métodos de prospecção geoelétricos. Por meio dos valores medidos, constrói-se a curva de resistividade do solo. Há outros dois métodos: [1] Método de Schlumberger; [2] Método de Lee.
Para projetar uma malha de terra de uma subestação é necessário realizar a medição da resistividade do solo. Antes de iniciar a medição, deve-se adotar seguinte protocolo:

  • [1] cravar as hastes no solo a uma profundidade média de 25 cm;
  • [2] as hastes devem ser cravadas tomando iguais as distâncias entre elas;
  • [3] limpar as hastes antes de usar, retirando a camada de óxidos que atuam como isolantes;
  • [4] suprimir toda a vegetação e materiais estranhos à cobertura natural do terreno;
  • [5] manter em alinhamento das hastes de teste;
  • [6] tomar as devidas precauções com interferências eletromagnéticas devido a redes elétricas aéreas ou subterrâneas que possam cruzar o terreno;
  • [7] para solos arenosos e muito secos, umedecer levemente os furos feitos pelas hastes de teste, a fim de dar maior contato entre as hastes e o solo;
  • [8] devem ser tomadas as precauções constantes das normas regulamentadoras de acidentes do trabalho, NR10 e outras correlacionadas.

A medição da resistividade do solo fornece os elementos necessários para a determinação dos parâmetros fundamentais de uma malha de terra: [1] resistência da malha; [2] tensão de passo e [3] tensão de toque, em diferentes pontos da área ocupada pela malha de terra.

Quando a curva de resistividade do solo assume a forma das Figuras 3(a) e 3(b), pode-se estratificá-lo em duas camadas e utilizar um método mais simples de cálculo, conforme apresentado no livro de Instalações Elétricas Industriais, do autor deste artigo.

No entanto, se a forma de curva da resistividade do solo adquirir a característica da Figura 3(c), o mesmo deve ser estratificado em várias camadas, em geral, de três a cinco camadas, tornando o cálculo da resistividade média e aparente do solo mais laborioso.

As curvas das Figuras 3(a) a (3c) mostram as características das resistividades típicas dos solos. A primeira curva da Figura 3(a) é típica de solos com a camada superior com resistividade mais elevada e camadas inferiores úmidas e de mais baixa resistividade.

A curva da Figura 3(b) mostra solos com a camada superior de baixa resistividade e camadas inferiores de resistividade mais alta, em geral, característica de solos rochosos nas camadas mais profundas. A terceira curva mostra um solo com características complexas em que as diferentes camadas podem-se alternar com maior ou menor resistividade.

Nesse caso, o solo deve ser estratificado em três ou mais camadas. Poderá ser utilizado o Método de Wenner, porém com a metodologia própria para o caso.

Figura 3 – Características de curvas típicas de resistividade do solo

Conhecidas as características do solo, deve-se alimentar o software utilizado pelo projetista e analisar os resultados dos gráficos gerados, como resistividade do solo, os mapas de tensões de passo e de toque e outros resultados numéricos.

Mas, para isso, é necessário que o projetista tenha pleno conhecimento teórico do assunto e saiba manipular o software com habilidade. Há vários softwares disponíveis no mercado sendo os mais utilizados: [1] Tecat Plus; [2] software do CEPEL – Centro de Pesquisa da Eletrobras; [3] SEGround.


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João Mamede Filho
João Mamede Filho
É engenheiro eletricista formado pela Universidade Católica de Petrópolis (UCP), no Rio de Janeiro. Foi diretor de Planejamento e Engenharia da Companhia Energética do Ceará (COELCE) por duas vezes, e também diretor de Operações da entidade. Foi presidente do Comitê Coordenador de Operações do Norte-Nordeste (CCON) e da Nordeste Energia S.A. (NERGISA). Ex-presidente e atual engenheiro de projeto da CPE – Estudos e Projetos Elétricos. Por mais de 30 anos, ministrou a disciplina de Eletrotécnica Industrial na Universidade de Fortaleza (UNIFOR), no Ceará.

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