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Introdução
Este tutorial introduz conceitos-chave utilizados no projeto de sistemas de ligação à terra e de aterramento de subestações. A terminologia importante é discutida, incluindo o aumento do potencial da rede, tensões de toque e de passo e distribuição de corrente.
São explicados os comportamentos de exemplos de sistemas de ligação à terra e de sistemas de ligação à terra durante uma falha.
Índice
1 Aumento do potencial da rede (GPR)
A figura 1(a) mostra um sistema de aterramento simples que consiste em condutores horizontais (também chamados de condutores de "malha" ou "grade") enterrados 0,5 m abaixo da superfície da terra e condutores verticais de 3 m de comprimento (também chamados de "hastes de terra") que são conectados à grade formada pelos condutores horizontais. A rede horizontal é quadrada e subdividida em 4 malhas quadradas.
A figura 1(b) mostra as tensões de superfície que ocorrem na superfície da terra quando o sistema de aterramento é energizado durante uma falha.
Quando a corrente eléctrica é injectada na terra através de um sistema de ligação à terra, a corrente encontra uma resistência que depende diretamente da resistividade do solo. Devido à corrente que flui através desta resistência, o potencial elétrico do sistema de ligação à terra e de todas as estruturas metálicas a ele ligadas aumenta. O potencial elétrico máximo que uma rede de terra de uma subestação pode atingir em relação a um ponto de terra distante, assumido como estando ao potencial da terra remota (0 Volts), é designado por elevação de potencial da rede (GPR) [1].
O GPR é diretamente proporcional à magnitude da corrente injectada no solo pelo sistema de ligação à terra. Para uma dada corrente de injeção, o GPR é diretamente proporcional à resistividade do solo. Por conseguinte, é muito importante, ao conceber um sistema de ligação à terra, dispor de medições fiáveis da resistividade do solo e efectuá-las no local da subestação, a fim de determinar as propriedades do solo. Isto é necessário para modelar com exatidão o desempenho do sistema de ligação à terra.
Para uma dada corrente de defeito, o GPR é aproximadamente inversamente proporcional à área da grelha. Note-se que a forma e a profundidade de enterramento da grelha também afectam o GPR em certa medida.
O GPR para a grelha apresentada na Figura 1 é de 2220 V e a tensão máxima à superfície, que é sempre inferior ao GPR, é de 2060 V.
Figura 1 - Exemplo de gráfico de tensões do sistema e de superfície
2 Tensões de contacto e de passo
A Figura 1 mostra que os potenciais da superfície da terra são mais baixos do que o GPR e variam muito. Nos pontos diretamente acima de um condutor da rede, os potenciais da superfície da terra estão mais próximos do GPR; por outro lado, ocorrem quedas de potencial no meio das malhas da rede e a diferença entre o GPR e o potencial da superfície da terra é máxima nestes pontos centrais. Isto significa que uma pessoa que se encontre no centro de uma malha e entre em contacto com qualquer estrutura metálica que esteja ligada ao sistema de ligação à terra, será sujeita a uma elevada tensão de toque.
Note-se que a "tensão de toque" é a diferença de potencial elétrico entre o sistema de ligação à terra e qualquer superfície de terra onde uma pessoa possa estar em contacto com uma estrutura metálica energizada (assumida como estando ao mesmo potencial que o sistema de ligação à terra) [1].
O gráfico da figura 2 (a) mostra as tensões de toque no interior e até 1 metro de distância da grelha. As tensões de toque máximas ocorrem tipicamente nos cantos de uma grelha porque as correntes de fuga mais elevadas existem nos condutores do perímetro (a obtenção de um gráfico de correntes de fuga é uma forma de o demonstrar).
Como mostra a Figura 1 e a Figura 2 (b), o gradiente de potencial acentuado fora do perímetro do sistema de ligação à terra pode resultar no aparecimento de uma diferença de potencial significativa entre dois locais da superfície da terra em que os pés de uma pessoa estão posicionados. Assume-se geralmente que o passo de uma pessoa não excederá 1 m e uma "tensão de passo" é, por conseguinte, definida como a diferença de potencial entre dois pontos da superfície terrestre separados por 1 m.
Os níveis de tensão de passo são normalmente muito inferiores aos das tensões de contacto. Por conseguinte, geralmente, se for possível obter tensões de toque seguras para um projeto, então as tensões de passo não devem ser um problema.
Figura 2 - Gráficos das tensões de toque e de passo em duas dimensões
As tensões de toque e de passo são, tal como o GPR, diretamente proporcionais à corrente injectada na terra. Além disso, para uma dada corrente de injeção e um dado conjunto de proporções da rede, as tensões de toque e de passo são diretamente proporcionais à resistividade eléctrica da terra.
A fim de avaliar o desempenho de um sistema de ligação à terra, o GPR e as tensões de toque e de passo que ocorrem durante as condições de falha são comparados com os valores máximos aceitáveis, que também são conhecidos como limites de tensão máxima permitida ou tolerável. Estes limites seguros são derivados de acordo com os métodos das normas IEC e IEEE [1], [2].
Consulte a página que explica como calcular os limites de tensão de toque e de passo.
Os limites de segurança são comparados com as tensões de contacto e de passo reais para determinar se a conceção é segura. Existem duas abordagens principais para obter um projeto seguro:
- Reduzir (ou mostrar) que as tensões reais de contacto e de passo que aparecem em qualquer ponto da subestação e em torno do seu perímetro estão abaixo dos limites de segurança.
Aumentar os limites admissíveis, acrescentando uma camada adicional de pedra britada ou asfalto à superfície dentro e fora da subestação.
3 Distribuição da corrente de defeito
Quando uma energização acidental ou "falha de terra" ocorre perto de uma subestação, grandes quantidades de corrente fluem do condutor da fase em falha e retornam à fonte de energia através de todos os caminhos condutores disponíveis (ver Figura 3).
A Figura 3 mostra o fluxo de correntes de defeito para duas subestações ligadas através de uma linha de transmissão aérea se ocorrer um defeito nas proximidades da subestação A. As setas indicam a direção do fluxo da corrente de defeito. Aqui está um tutorial em vídeo que explica a distribuição da corrente de defeito com exemplos práticos.
Durante um defeito, uma parte da corrente total de defeito regressa à fonte de energia (corrente de defeito) ao longo dos seguintes caminhos:
- Fios de terra: uma parte da corrente de defeito flui do local do defeito para a fonte de energia inteiramente através de fios de terra (se existirem). Outra parte da corrente de defeito flui ao longo de um comprimento dos fios de terra e é depois injectada na terra por vários caminhos de terra, tais como as terras das torres de transmissão ou os sistemas de ligação à terra de subestações que não a mais próxima do defeito.
- Sistema de ligação à terra da subestação: outra parte da corrente de defeito é injectada na terra pelo sistema de ligação à terra da subestação perto da qual o defeito está a ocorrer. A partir daí, flui através da terra para o sistema de ligação à terra da fonte de energia e, em seguida, através do sistema de ligação à terra da fonte de energia, para o gerador ou transformador que está a fornecer a corrente de defeito.
- Sistema de ligação à terra auxiliar: se a subestação tiver um sistema de ligação à terra para além do existente no local da subestação, então uma parte da corrente de defeito será desviada para este sistema de ligação à terra adicional. Note-se que os vergalhões no pavimento de betão armado de um edifício podem ser considerados como um sistema de ligação à terra auxiliar, tal como uma terra remota.
A parte da corrente de defeito injectada no sistema de ligação à terra da subestação é normalmente designada por corrente da rede, que causará um aumento potencial no sistema de ligação à terra.
A quantidade de corrente de defeito que fluirá ao longo de cada caminho depende diretamente das suas impedâncias relativas. Por exemplo, se os fios de terra tiverem uma impedância baixa e não abrangerem uma grande distância entre a subestação em falta e a fonte de energia, então tenderão a transportar uma maior proporção da corrente de defeito do que se forem longos e de alta impedância. Da mesma forma, se o sistema de ligação à terra da subestação tiver uma impedância muito baixa, então conduzirá uma proporção muito maior da corrente de defeito do que se tiver uma impedância elevada.
Na maioria dos casos, a corrente da rede é muito inferior à corrente total de defeito que é fornecida pela fonte. Por conseguinte, vale a pena analisar a distribuição da corrente de defeito durante a fase de projeto, embora seja necessária informação adicional sobre os caminhos condutores.
4 Conceção para reduzir o GPR
Um sistema de ligação à terra deve ser concebido de modo a que o GPR não exceda 5000 V, principalmente para proteger o equipamento [3].
A redução do GPR requer a redução da resistência da grelha e isto é mais eficazmente conseguido através do aumento do tamanho (área coberta pela) da grelha ou através da adição de hastes que são conduzidas para camadas inferiores de baixa resistividade do solo. O GPR pode ser reduzido em menor grau através da adição de condutores no interior da grelha.
A tabela 1 mostra os resultados calculados pelo software de aterramento SafeGrid para quatro sistemas de aterramento simples. Estes sistemas de ligação à terra consistem numa malha quadrada de 20 m × 20 m enterrada a 0,5 m de profundidade, com hastes (3 m de comprimento) adicionadas. As correntes de defeito injectadas nos sistemas de ligação à terra e as áreas das secções transversais dos condutores são de 1000 A e 70 mm2, respetivamente. Assume-se um modelo de solo uniforme com resistividade de 100 Ω.m.
Partindo do Caso 1 e acrescentando mais 2 condutores de malha de 20 m de comprimento instalados em forma de cruz, o GPR diminui 6,37 %. Se forem acrescentados mais 6 condutores de 20 m de comprimento para formar a rede do Caso 3, com um total de 25 malhas, o GPR diminui 14,1 %.
Adicionar condutores internos a uma rede é menos eficaz do que aumentar o seu tamanho. O caso 4 mostra que, aumentando apenas o tamanho de 20 m para 25 m, o GPR diminui em 16,78%.
Note-se que a redução da resistência da rede aumentará a corrente da rede, resultando numa menor redução do GPR obtida assumindo que não há variação de corrente.
5 Conceção para reduzir as tensões de contacto e de passo
Um sistema de aterramento deve ser projetado para que as tensões de toque em qualquer ponto dentro do perímetro da subestação, durante uma falta, não sejam perigosas. Como as tensões de contacto são a diferença de potencial entre um ponto da superfície terrestre e o sistema de ligação à terra da subestação, a situação ideal é que o potencial da superfície terrestre esteja próximo do GPR da subestação.
Os gráficos das tensões de superfície e das tensões de contacto para uma grelha de 4 malhas são apresentados na figura 4 (a) e (b), respetivamente. Os 4 vales no gráfico das tensões de superfície correspondem aos centros das 4 malhas e são os pontos em que existem os maiores potenciais de contacto. A tensão de contacto máxima para esta grelha é de 642 V.
Figura 4 - Gráficos de tensão de superfície e de toque para uma grelha de 4 malhas
A figura 5 mostra os gráficos das tensões de superfície e das tensões de contacto para a mesma grelha, mas com 25 malhas. O aumento do número de malhas faz com que os vales se tornem muito mais rasos. As tensões de contacto máximas tornam-se, portanto, muito mais pequenas. A tensão de contacto máxima para esta grelha é de 391 V.
Figura 5 - Gráficos de tensão de superfície e de toque para uma grelha de 25 malhas
A certa altura, a melhoria obtida pela adição de condutores de rede torna-se insignificante, na Figura 5, já é evidente que não se obterá muita melhoria tornando os vales mais rasos, uma vez que o potencial de toque já é quase uniforme em toda a área da rede. Neste caso, se ainda for necessária uma melhoria, o próprio GPR deve ser reduzido, por exemplo, aumentando o tamanho do sistema de ligação à terra.
As tensões de passo na zona da subestação não são normalmente um problema se as tensões de contacto estiverem dentro dos limites de segurança. Não só as tensões de passo na área da subestação são menores do que as tensões de contacto, como também os seres humanos toleram tensões de passo mais elevadas do que as tensões de contacto.
As tensões de passo são normalmente uma preocupação apenas em torno do perímetro da subestação, onde normalmente existe um gradiente de potencial íngreme na superfície da terra. Como regra geral, a inclinação do gradiente de potencial é aproximadamente inversamente proporcional ao tamanho do sistema de aterramento, os potenciais de passo são, portanto, susceptíveis de apresentar um problema maior para pequenos sistemas de aterramento do que para os maiores. O aumento da dimensão do sistema de ligação à terra é um meio eficaz de reduzir as tensões de passo.
Apesar de as tensões de contacto no interior da rede serem reduzidas, as tensões de contacto na extremidade da subestação continuam a ser muito elevadas. Para proteger o pessoal e o equipamento no exterior da subestação, pode ser adicionado um anel de graduação enterrado (referido como "condutores de perímetro" na norma IEEE 80) 1 m para além da rede de terra principal de 20 m × 20 m para reduzir as tensões de toque.
A figura 6 mostra as tensões de contacto e de passo sem anel de classificação. A tensão de contacto máxima é de 767 V. As tensões de passo ao longo do perímetro da subestação também não são aceitáveis.
Figura 6 - Gráfico 2D das tensões de toque e de passo sem anel de calibração
A figura 7 mostra as tensões de contacto e de passo com o anel de classificação enterrado à mesma profundidade que a rede principal. A instalação do anel de classificação provoca uma redução significativa das tensões de contacto e de passo. A tensão de contacto máxima diminui para 425 V e as tensões de passo ao longo do perímetro da subestação também são reduzidas para cerca de 50 V, em comparação com 200 V sem anel de classificação.
Figura 7 Gráfico 2D das tensões de contacto com o anel graduado
6 Efeitos da estrutura de resistividade do solo nas tensões
Para um local de subestação real, a estrutura de resistividade do solo não é tipicamente uniforme. Para a maioria dos locais, um modelo de solo multicamada é mais realista e preciso para avaliar o desempenho elétrico dos sistemas de ligação à terra.
Nesta secção, examinamos os efeitos nas tensões de superfície das diferenças nas resistividades das camadas superior e inferior para um solo simples de duas camadas. A maioria das estruturas de solo requer um modelo de 3 a 5 camadas.
Os modelos típicos de solo de duas camadas são:
- Modelo alto-baixo (a resistividade da camada superior é superior à resistividade da camada inferior)
- Modelo baixo-alto (a resistividade da camada inferior é superior à resistividade da camada superior)
Para demonstrar os diferentes efeitos dos solos alto-sobre-baixo e baixo-sobre-alto nas tensões de toque e de passo, é utilizada uma rede de terra simples de 20 m × 20 m sem barras.
A figura 8 mostra as tensões de superfície com um modelo de solo alto-sobre-baixo em que a resistividade da camada superior do solo é de 500 Ω.m com uma profundidade de 1,5 m e a resistividade da camada inferior do solo é de 50 Ω.m. A tensão de superfície máxima é de 3595 V. Para um modelo alto-baixo, a corrente de defeito que entra na camada superior de alta resistividade quer escapar para a camada inferior de baixa resistividade
Figura 8 - Gráficos das tensões de superfície do modelo de solo alto-baixo
A figura 9 mostra as tensões de superfície com o modelo de solo baixo-alto, em que a resistividade do solo da camada superior é de 50 Ω.m com uma profundidade de 1,5 m e a resistividade do solo da camada inferior é de 500 Ω.m. A maior resistividade do solo da camada inferior impede a corrente de fluir para as camadas profundas do solo, provocando o aumento das tensões de superfície. A tensão de superfície máxima do modelo de solo baixo-sobre-alto atinge 5525 V.
Figura 9 - Gráficos das tensões de superfície do modelo de solo baixo sobre alto
A resistividade da camada inferior terá a maior influência na resistência da grelha e no aumento do potencial da grelha em comparação com a camada superior (devido às suas espessuras relativas - a espessura da camada inferior estende-se a uma profundidade infinita). Por conseguinte, uma camada inferior de baixa resistividade resultará numa baixa resistência global da grelha e do GPR - esta é a vantagem. No entanto, se o modelo de resistividade do solo for alto-sobre-baixo, então as tensões de toque podem ser muito maiores do que para baixo-sobre-alto devido às variações acentuadas no perfil de tensões de superfície.
7 Utilização de varões para melhorar a segurança
Ⅰ. Varetas separadas com consideração do efeito de proximidade
As barras instaladas no sistema de ligação à terra podem melhorar o desempenho, mas as barras têm de estar separadas por uma distância adequada para serem eficazes.
Como mostra a Figura 10, o campo de um segmento influenciará os segmentos adjacentes e vice-versa - reduzindo a sua capacidade de dissipar a corrente de defeito, o que se designa por efeito de proximidade. O apinhamento de várias barras verticais não é tão benéfico em termos de $/Ω como é possível com um menor número de barras devidamente espaçadas.
Para ilustrar este fenómeno, construiu-se uma grelha simples, ilustrada na figura 11, com 4 barras de 5 m em cada canto. As barras estão separadas por 1, 2, 3, 4, 5, 7,5, 10 e 20 m. Os condutores da rede (horizontais) estão isolados para garantir que os resultados só são afectados pelo espaçamento das barras.
A Figura 12 mostra a impedância da rede com a variação do espaçamento das hastes. Note-se que a resistência global é significativamente reduzida com a separação até ao comprimento das barras. Por conseguinte, pode concluir-se que as barras devem ser separadas a uma distância superior a um comprimento de barra.
Por conseguinte, em geral, para que as varas sejam eficazes, devem ser espaçadas pelo menos pelo seu comprimento. Por exemplo, as varas de 5 m de comprimento devem ser espaçadas pelo menos 5 m.
Ⅱ. Utilização eficaz das hastes de acordo com as caraterísticas do solo
A utilização de varetas para reduzir as tensões pode ser menos eficaz em alguns casos.
A Tabela 2 mostra a impedância da rede de sistemas de aterramento com e sem hastes para diferentes modelos de solo. A instalação das barras reduz a impedância da rede, especialmente para o modelo de solo alto-baixo.
A impedância da rede reduz em 86,14% após a adição das barras para o modelo de solo alto sobre baixo, enquanto que a utilização de barras no modelo de solo baixo sobre alto não é muito eficaz (redução de 24,53%), uma vez que as correntes permanecem na camada superior do solo. Este problema pode ser resolvido através da instalação de contrapesos (condutores horizontais que se estendem para fora da rede, geralmente nos cantos) para o modelo de solo baixo-sobre-alto, uma vez que aumenta a área coberta pela rede de terra. Aumentar a área coberta pela rede de terra irá sempre melhorar o desempenho.
Referências
[1] "IEEE Guide for Safety in AC Substation Earthing," IEEE Std 80-2013.
[2] "Efeitos da corrente em seres humanos e animais - Aspetos gerais." IEC 60479-1:2018.
[3] "Limite máximo de aumento de potencial de terra permitido do sistema de aterramento da subestação". IEEE Transactions on Industrial Applications (Volume 51, Edição 6, 2015).
