( PDF ) Medição de malha de terra em subestações energizadas

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA

FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

“MEDIÇÃO DE MALHA DE TERRA EM SUBESTAÇÕES

ENERGIZADAS”

Dissertação submetida à Faculdade de

Engenharia de Ilha Solteira – UNESP como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do

título de Mestre em Engenharia Elétrica (ME).

ALUNO: JULIANO MUNHOZ BELTANI

ORIENTADOR: DR. LUIZ FERNANDO BOVOLATO

ILHA SOLTEIRA

2007.

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FICHA CATALOGRÁFICA

Elaborada pela Seção Técnica de Aquisição e Tratamento da Informação/Serviço Técnico

de Biblioteca e Documentação da UNESP-Ilha Solteira

Beltani, Juliano Munhoz.

B453m Medição de malha de terra em subestações energizadas /

Juliano Munhoz Beltani. -- Ilha Solteira : [s.n.], 2007

81 p. : il. (algumas fotos)

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha

Solteira, 2007

Orientador: Luiz Fernando Bovolato

Bibliografia: p. 79-81

1. .Medidas elétricas. 2. Correntes elétricas – Aterramento. 3. Medição. 4. Instrumentos de

Medição. 5. Medidores de tensão.

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DEDICATÓRIA

À Michelle, meu grande amor, companheira, paciente e compreensiva em

todas as horas, um presente que Deus colocou em minha vida.

Aos meus pais, Laudelino e Cecilia, que Deus tão bem escolheu para dar vida

a minha vida, meus maiores educadores.

Ao nosso filho Giovane, que veio ao mundo no momento final deste estudo,

sendo a inspiração para chegar ao final e o maior presente que Deus podia me dar.

A toda minha família, que torcem por mim e estão sempre ao meu lado.

Meu amor por vocês é incondicional.

AGRADECIMENTOS

A Deus, pois sem Tê-Lo ao meu lado constantemente, nada seria possível.

Todas aquelas pessoas que fazem parte da minha vida, compartilhando todos

os momentos juntos. Aos meus familiares, e à família da Michelle, que é minha

também. A todos os nossos amigos que estão sempre presentes, e em especial à

família vicentina de São Miguel que são muito mais que amigos, sempre rezando e

torcendo por cada um.

Ao Prof. Dr. Luiz Fernando Bovolato, por ter se disponibilizado em me

orientar, foi atencioso e firme quando necessário. À Profª. Dra. Mariângela, sua

esposa, pelo apoio e incentivo.

Ao Prof. Carlos Alberto Sotille, pela sua objetividade, que com sabedoria e

experiência me ajudou a definir exatamente qual o caminho a seguir.

Ao Prof. Dr. Edílson de Andrade Barbosa, pelo incentivo, compreensão e

apoio na elaboração do Estudo Especial e do trabalho apresentado no Simpósio

Brasileiro de Sistemas Elétricos.

Ao Prof. Plínio Norberto Zorman de Menezes, pelo incentivo no início deste

estudo.

Ao amigo Anderson pelo auxílio na formatação e na confecção dos slides da

apresentação da qualificação e da defesa final.

À banca da qualificação, pelas sugestões que auxiliaram no desenvolvimento

final do trabalho.

A todos os profissionais que estiveram junto comigo na execução deste

estudo e pelo incentivo e apoio em especial ao engenheiro e amigo Nemer Paschoal

Fioravante Junior.

Aos amigos José Aparecido, Adriano Bien e Everaldo que me incentivaram a

trilhar este caminho desde o início, acompanhando todos os passos principalmente

nas viagens a Ilha Solteira.

Ao Tio Jura, pela atenção, amizade e auxilio nas estadias quando

necessárias.

Aos funcionários do Departamento de Engenharia Elétrica, da Seção de Pós-

graduação e da Biblioteca, que estão sempre prontos a nos ajudar no que for

preciso.

À Fundação Paulista de Tecnologia e Educação através do seu Centro

Universitário e do Centro Tecnológico, pela atenção que disponibilizaram para a

realização deste estudo de Mestrado. Aos Diretores, Professores e Colaboradores o

meu muito obrigado.

RESUMO

Os sistemas de aterramento de subestações exigem uma avaliação permanente

devido não só ao envelhecimento das malhas de terra, problemas de corrosão,

ocorrência de vandalismo, assim como à ação de pessoas qualificadas ou não.

Como as condições de se desligar a energia de uma subestação ficaram cada vez

mais difíceis de acontecer, cresceu a necessidade de se buscarem alternativas de

medições viáveis, dando-se preferência aos métodos de medição de subestação

energizada. Esporadicamente, uma ou outra empresa busca desenvolver técnicas

de medições com as instalações energizadas, deparando-se, porém, com obstáculos

que comprometem a qualidade dos resultados de ensaios, quais sejam as

interferências eletromagnéticas nos instrumentos utilizados e, conseqüentemente,

nas leituras realizadas, exposição a riscos (segurança pessoal e aparelhos

utilizados), bem como os longos períodos tomados na execução dos ensaios. Este

trabalho tem como objetivo a validação de um método existente, por meio de

estudos de casos, a qual propicia uma rápida avaliação da malha de forma segura,

sem prejudicar tanto a qualidade quanto a continuidade do fornecimento de energia.

Esta proposta de validação é baseada nos procedimentos atualmente utilizados na

medição de malhas de subestações desenergizadas com experimentos feitos por

concessionárias e pesquisadores do país e do exterior, em instalações energizadas,

visando contribuir com novos dados, para a discussão de viabilidade de medição de

malhas de terra em subestações energizadas.

Palavras-chave: Subestação, Aterramentos, Segurança, Tensões Permissíveis,

Medições.

ABSTRACT

The energy substation embankment systems require a permanent assessment

due to not only the aging of the land meshes, corrosion problems and vandalism

occurrences, but also for the actions of people, being qualified or not. Since the

conditions to turn an energy substation off are more and more difficult to cause

intentionally for maintenance reasons, a need for practicable measurement

alternatives has increased, preferably the methods of measuring energized

substations. From time to time a company tries to develop some measurement

technique with the installations energized, however it confronts with some various

constraints that may be risky for the quality of the test results, such as the

electromagnetic interferences in the tools being used, consequently in the readings

obtained; exposure to risks (personal safety and devices being used) as well as the

fact of a testing accomplishment takes some long periods of time. This work aims, by

means of studying some cases, to get some validation for an existing method which

provides a rapid assessment of the land meshes in a safety way, with no harmful

consequences for both the quality and the continuity of the energy supplying. The

validation proposed is based on the procedures used in measuring the land meshes

of no-energized substation nowadays, with some experiments carried out by some

energy licensee and researchers in energized installations, both in Brazil and abroad,

viewing to share some new data on the matter in discussion about the measuring of

land meshes being practicable in substations energized.

Key–words: Substation, Embankment, Security, Voltage, Practicable, Measurement.

SUMARIO

1. INTRODUÇÃO..................................................................................................12

2. MÉTODOS E CONCEITOS...............................................................................15

2.1. Conceitos de aterramento elétrico............................................................................16

2.2. Resistividade do solo...............................................................................................18

2.2.1. Estratificação do solo..................................................................................................19

2.2.2. Determinação da resistividade do solo.........................................................................20

2.3. Resistência de aterramento.....................................................................................21

2.3.1. Medição de resistência de aterramento.......................................................................21

2.4. Conceitos básicos de segurança em aterramento....................................................25

2.4.1. Caracterização de condições de risco..........................................................................26

2.4.2. Efeitos da corrente elétrica no corpo humano..............................................................30

2.5. Normalização...........................................................................................................31

3. VIABILIDADE DA MEDIÇÃO DE MALHA DE TERRA EM SUBESTAÇÕES

ENERGIZADAS........................................................................................................33

3.1. Metodologias utilizadas no estudo de casos............................................................35

3.1.1. Medição em alta freqüência.........................................................................................35

3.1.2. Metodologia convencional reduzida.............................................................................37

3.1.3. Metodologia de diferenças de potencial em pontos próximos ao sistema de aterramento

– DDPprox...................................................................................................................................38

4. MODELAGEM E ESPECIFICAÇÃO DO PROTÓTIPO UTILIZADO NO

ESTUDO DE CASOS...............................................................................................41

4.1. Modelagem de solo utilizada pelo protótipo para estratificação................................41

4.1.1. Descrição da metodologia de modelagem de solo.......................................................41

4.1.2. Formulação analítica do método gráfico......................................................................42

4.1.3. Medição de resistividade.............................................................................................43

4.1.4. Aparelho de medição de resistividade..........................................................................43

4.1.5. Método de Wenner......................................................................................................44

4.1.6. Estratificação do solo (camadas horizontais)...............................................................46

4.1.7. Método de estratificação utilizando 16 eletrodos..........................................................46

4.2. Elementos envolvidos na medição de aterramento com o protótipo de alta freqüência

....................................................................................................................................47

5. ESTUDOS DE CASOS......................................................................................51

5.1. Metodologia convencional reduzida.........................................................................51

5.1.1. CASO 1 – Malha de subestação 138 kV, com área de 2500 m

e com cabo pára-raios

conectado....................................................................................................................................51

5.1.2. CASO 2 – Malha de subestação 34,5 kV, com área de 2900 m

e sem cabo pára-raios

conectado....................................................................................................................................53

5.1.3. CASO 3 – Malha de subestação 138 kV, com área de 4220 m

e com cabo pára-raios

conectado à estrutura metálica de entrada e não diretamente à malha de terra............................56

5.1.4. CASO 4 – Malha de subestação 138 kV, com área de 1600 m

e sem cabo pára-raios

conectado....................................................................................................................................58

5.1.5. CASO 5 – Malha de subestação 34,5 kV, com área de 500 m

e sem cabo pára-raios

conectado....................................................................................................................................60

5.1.6. CASO 6 – Malha de subestação 138 kV, com área de 15400 m

e com cabo pára-raios

da linha de transmissão ligado á malha através de condutor enterrado entre malha e primeira torre

.........................................................................................................................................62

5.1.7. CASO 7 – Malha de subestação 138 kV, com área de 15000 m

e com cabo pára-raios

conectado....................................................................................................................................64

5.2. Metodologia DDPprox..............................................................................................67

5.2.1. CASO 1 – Malha de subestação 138 kV, com área de 2500 m

e com cabo pára-raios

conectado....................................................................................................................................68

5.2.2. CASO 2 – Malha de subestação 34,5 kV, com área de 2900 m

e sem cabo pára-raios

conectado....................................................................................................................................68

5.2.3. CASO 3 – Malha de subestação 138 kV, com área de 4220 m

e com cabo pára-raios

conectado à estrutura metálica de entrada e não diretamente à malha de terra............................69

5.2.4. CASO 4 – Malha de subestação 138 kV, com área de 1600 m

e sem cabo pára-raios

conectado....................................................................................................................................69

5.2.5. CASO 5 – Malha de subestação 34,5 kV, com área de 500 m

e sem cabo pára-raios

conectado....................................................................................................................................69

5.2.6. CASO 6 – Malha de subestação 138 kV, com área de 15400 m

e com cabo pára-raios

da linha de transmissão ligado á malha através de condutor enterrado entre malha e primeira torre

.........................................................................................................................................70

5.2.7. CASO 7 – Malha de subestação 138 kV, com área de 15000 m

e com cabo pára-raios

conectado....................................................................................................................................70

6. ANALISE DOS RESULTADOS DO ESTUDO..................................................72

6.1. Da metodologia adotada..........................................................................................72

6.2. Dos resultados esperados........................................................................................72

6.3. Do aplicativo de análise do solo...............................................................................75

6.4. Do aplicativo de análise e medição do aterramento.................................................75

7. CONCLUSÃO...................................................................................................77

8. REFERÊNCIAS.................................................................................................79

Lista de Figuras

Figura 2.1 - Constituição de um aterramento........................................................................16

Figura 2.2 - Componentes de Corrente no solo.....................................................................17

Figura 2.3 - Solo estratificado em várias camadas................................................................19

Figura 2.4 - Solo estratificado em duas camadas..................................................................20

Figura 2.5 - Esquema de medição da resistência de terra......................................................23

Figura 2.6 – Curva de resistência aparente em função da distância.......................................24

Figura 2.7 - Esquema de ligação com 4 terminais utilizando o Megger................................25

Figura 2.8 - Demonstração de um indivíduo submetido a uma tensão de passo.....................27

Figura 2.9 - Esquema elétrico para condição de tensão de passo...........................................27

Figura 2.10 - Demonstração de um indivíduo submetido a uma tensão de toque...................28

Figura 2.11 - Esquema elétrico para condição de tensão de toque.........................................28

Figura 3.1 - Metodologia DDPprox aplicadas a malhas de aterramento com configuração

conhecida............................................................................................................................39

Figura 3.2 - Metodologia DDPprox aplicada a malhas de aterramento com configuração

desconhecida.......................................................................................................................40

Figura 4.1 - Arranjo geral para medição de resistividade......................................................44

Figura 4.2 - Configuração de eletrodos para o Método de Wenner.......................................44

Figura 4.3 - Disposição dos eletrodos para a realização das medidas de estratificação..........47

Figura 4.4 - Utilização dos eletrodos para a medição............................................................47

Figura 4.1 - Vista do painel frontal do protótipo...................................................................48

Figura 4.3 - Esquema simplificado da medição....................................................................49

Figura 4.4 - Tendência das curvas “sem e com” compensação de reativos............................50

Figura 5.1 – Planta da malha de aterramento caso 1.............................................................52

Figura 5.2 – Gráfico da medição de campo caso 1................................................................53

Figura 5.3 – Planta da malha de aterramento caso 2.............................................................54

Figura 5.4 – Gráfico medição de campo caso 2....................................................................55

Figura 5.5 - Planta da malha de aterramento caso 3.............................................................56

Figura 5.6 – Gráfico medição de campo caso 3....................................................................57

Figura 5.7 – Planta da malha de aterramento caso 4.............................................................58

Figura 5.8 – Gráfico medição de campo caso 4....................................................................59

Figura 5.9 – Planta da malha de aterramento caso 5.............................................................60

Figura 5.10 – Gráfico medição de campo solo normal seco caso 5.......................................62

Figura 5.11 – Gráfico medição de campo solo normal úmido caso 5....................................62

Figura 5.12 – Planta da malha de aterramento caso 6...........................................................63

Figura 5.13 – Gráfico medição de campo caso 6..................................................................64

Figura 5.14 – Planta da malha de aterramento caso 7...........................................................65

Figura 5.15 – Gráfico medição de campo caso 7..................................................................66

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 - Resistividade de alguns solos em função da composição..................................18

Tabela 2.2 - Potenciais de toque em função da resistividade do solo....................................29

Tabela 2.3 - Correntes permissíveis do corpo humano..........................................................30

Tabela 3.1 - Tabela resultante da formulação de Carson para a freqüência de 60 Hz............36

Tabela 3.2 - Tabela resultante da formulação de Carson para a freqüência de 25 kHz...........36

Tabela 5.1 – Medição de campo caso 1................................................................................52

Tabela 5.2 – Medição de campo caso 2................................................................................55

Tabela 5.3 – Medição de campo caso 3................................................................................57

Tabela 5.4 – Medição de campo caso 4................................................................................59

Tabela 5.5 – Medição de campo solo normal seco caso 5.....................................................61

Tabela 5.6 – Medição de campo solo normal unido caso 5...................................................61

Tabela 5.7 – Medição de campo caso 6................................................................................64

Tabela 5.8 – Medição de campo caso 7................................................................................66

1. INTRODUÇÃO

As restrições ao desligamento de uma rede conquistam mais aliados nos

dias de hoje, por razões que vão desde a área técnica à comercial, passando

sempre pela questão legal do órgão regulador/fiscalizador.

O objetivo essencial de executar trabalhos sem interrupção do fornecimento

de energia, isto é em instalações energizadas, é efetuar intervenções nas

instalações elétricas e, ao mesmo tempo manter a continuidade da alimentação. [1]

Dessa forma, um método de medição que propicie uma rápida avaliação da

malha, sem prejudicar a qualidade do fornecimento, seria muito bem recebido.

O aperfeiçoamento de um método de medição de malhas de terra, que

viesse a melhorar a satisfação do consumidor, reduzindo os custos reais de perda

de suprimento e agilizando operacionalmente os programas de manutenções de

subestações.

Os métodos aplicáveis às avaliações em malhas de subestações no Brasil e

no mundo são compostos por vários procedimentos onde a etapa principal é a

obtenção da resistência da malha em ensaio. A partir dos parâmetros resistência,

estratificação do solo e localização dos elementos da malha de aterramento da

subestação é possível calcular e simular situações de operação do sistema, onde a

malha da subestação é solicitada. Estes procedimentos são baseados em

experimentos feitos, em instalações desenenergizadas e energizadas, por

pesquisadores brasileiros e de outros paises.

Entre os vários métodos utilizados para análise de sistemas de aterramentos

de subestações, destacam-se a seguir:

O método utilizado por um equipamento desenvolvido pela empresa Hood-

Paterson & Dewar, denominado Smart Ground Multimeter – SGM, é composto por

um instrumento capaz de medir a impedância de terra de um sistema de aterramento

com o sistema energizado e utiliza-se do método de queda de potencial, não há

informações sobre a freqüência que é injetada. Sabe-se, no entanto que o

equipamento fornece a impedância do sistema de aterramento através do método de

estimação. [2], [3]

O segundo método estudado foi o desenvolvido pelo Instituto de Tecnologia

para o Desenvolvimento - LACTEC em parceria com a Companhia Paranaense de

Energia - COPEL, para subestações de 34,5 kV e 69 kV, que consiste em medir a

corrente injetada na malha de terra pelo próprio sistema e medir a tensão da malha

com relação a um eletrodo remoto de potencial, dispensando assim uma fonte de

corrente e reduzindo o tempo de execução da medição. Este sinal de corrente é

medido por meio de transdutores corrente/tensão posicionados nas descidas de

aterramento do neutro dos equipamentos de alta tensão (transformadores, reatores,

bancos e reguladores de tensão). Para diminuir o número de pontos de medição, e

conseqüentemente o número de transdutores instalados, alguns equipamentos ou

circuitos podem ser desligados durante as medições. Os valores de cada ponto são

somados eletricamente, medidos e colocados junto com o sinal da tensão da malha

na tela de um osciloscópio digital (para ver a coerência entre os valores de tensão e

corrente). [4]

O terceiro método é o da Eletrosul Centrais Elétricas S.A.; este método injeta

uma corrente de freqüência próxima de 60 Hz na malha. Precisa de um eletrodo

remoto de corrente (normalmente a malha de terra de uma torre de linha de

transmissão, situada a uma certa distância da subestação) e de uma fonte com

possibilidade de ajustar a freqüência, com potência e tensão suficientes para o

circuito total de medição. [5]

O quarto método e objeto de estudo deste trabalho foi o desenvolvido pela

Fundação Paulista de Tecnologia e Educação - FPTE. Este método denominado

Protótipo de Medição de Malha de Terra em Subestações Energizadas é parte

integrante do programa anual de Pesquisa e Desenvolvimento - P&D, da Empresa

Energética de Mato Grosso do Sul S.A. - ENERSUL Energias do Brasil, ciclo

2003/2005. Este método emprega fonte de corrente adaptada para freqüências de

270 Hz, 1,47 kHz e 25 kHz. Uma das vantagens é que precisa de distâncias

bastante curtas para o posicionamento dos eletrodos de corrente e tensão com

relação às distâncias normalmente necessárias para malhas de grandes dimensões.

Também dispensa a desconexão dos cabos pára-raios das linhas de transmissão e

a sua influência é compensada por cálculo a partir dos dados de ensaio. [6]

Este estudo se propõe a viabilidar da execução da medição da resistência

de aterramento em subestações energizadas e validar um dos métodos por meio de

estudos de casos (medições amostrais em subestações dos mais variados arranjos,

com alto grau de interferência com centros de distribuição), verificando a

aplicabilidade de campo da metodologia e do equipamento desenvolvido. Com base

nos estudos espera-se verificar a segurança operacional das subestações e

comunidades circunvizinhas.

O trabalho apresenta além do método de medição de malhas de terra em

subestações energizadas, os conceitos envolvidos na medição de malhas de terra

de subestações desenergizada.

Pretende-se, mostrar a importância que os sistemas de aterramento têm nas

instalações elétricas de alta e de baixa tensão.

Os métodos e os conceitos envolvidos na medição de aterramento elétrico

são apresentados no capítulo 2, como a resistividade do solo e a resistência de

aterramento. Faz-se também, uma apresentação da aplicação e classificação de

aterramento, bem como os conceitos básicos de segurança. Também será abordada

a normalização existente no âmbito nacional.

O capítulo 3 apresenta a viabilidade da medição de malha de terra em

subestações energizadas, onde são mostradas metodologias: de desenvolvimento

do protótipo de medição em alta freqüência; a metodologia convencional reduzida e

de diferenças de potencial em pontos próximos ao sistema de aterramento.

As especificações, a modelagem, a descrição do software e do hardware do

protótipo, utilizado nos estudos de caso, são apresentadas no capítulo 4.

No capítulo 5, apresentam-se os estudos de casos deste trabalho,

constituído dos testes de campo, utilizando-se a metodologia convencional reduzida

e de diferenças de potencial em pontos próximos ao sistema de aterramento,

denominado neste estudo, como DDPprox.

As análises dos resultados dos testes de campo são apresentadas no

capítulo 6.

As conclusões obtidas com o estudo são descritas no capitulo 7.

2. MÉTODOS E CONCEITOS

Há diversas bibliografias relacionadas ao termo aterramento. Este termo

refere-se a terra propriamente dita ou uma grande massa que se utiliza em seu

lugar. Quando dizemos que algo está “aterrado”, queremos dizer então que, pelo

menos, um de seus elementos está propositalmente ligado a terra. [7]

Em qualquer edificação moderna, encontram-se instalações elétricas,

eletrônicas e mecânicas que necessitam de alguma forma de aterramento, seja para

uma proteção em caso de eventual falha de algum sistema, para dissipação de

eletricidade estática ou ainda proteções contra descargas atmosféricas e surtos de

manobra. Isso consiste em uma ligação elétrica proposital de um sistema físico,

como elétrico, eletrônico ou corpos metálicos ao solo. [8], [9]

Um sistema elétrico ou eletrônico quando está em operação, fica sujeito a

ocorrências internas, por exemplo, transitórios devido a chaveamentos e ocorrências

externas, como interferências geradas por fenômenos, equipamentos ou outros

sistemas acoplados eletromagneticamente com o primeiro. Essas ocorrências

podem perturbar o seu funcionamento e, na maioria das vezes, danificar

componentes do sistema. [9]

Os sistemas de aterramento são componentes fundamentais em uma

instalação elétrica, seja nos circuitos de potência, no controle de telecomunicações

ou na transmissão de dados.

Para que um sistema elétrico opere corretamente, mantendo a continuidade

dos serviços e a segurança pessoal, é necessário que todos os equipamentos, bem

como o condutor neutro da rede de alimentação, estejam devidamente aterrados.

Para tanto, a elaboração de um projeto, baseado no dimensionamento correto dos

aterramentos é de suma importância, visto que vantagens técnicas e econômicas

são obtidas dessa forma.

A resistência de aterramento oferecida por aterramento simples, na maioria

das vezes não é suficientemente baixa, a ponto de se encaixar nos valores máximos

preceituados por normas, já que esta depende diretamente do valor da resistividade

do solo na profundidade em que se acha enterrado o eletrodo.

2.1. Conceitos de aterramento elétrico

Essencialmente, aterramento é uma conexão elétrica a terra, representando

o valor da resistência de aterramento, a eficácia desta ligação, ou seja, quanto

menor a resistência, melhor o aterramento. [7], [8]

Há várias maneiras para aterrar um sistema elétrico, desde a mais simples

esfera, passando por placas de formas e tamanhos diversos, fitas metálicas que se

prolongam por faixas de terrenos, chegando as mais complicadas configurações de

cabos enterrados no solo.

Existe uma ampla gama de funções que o aterramento pode desempenhar

no sistema. O aterramento pode assumir configurações muito diversificadas,

conforme a natureza dessa função. Entretanto, as correspondentes aplicações estão

sempre associadas a dois fatores fundamentais: o desempenho do sistema ao qual

o aterramento será conectado, neste caso, pode-se citar o uso do solo como

condutor efetivo de retorno, quando a corrente alternada ou continua é injetada no

aterramento, ou ainda, as funções associadas à proteção do sistema; e as questões

de segurança dos seres vivos e proteção de equipamentos, permitindo o

escoamento para a terra de cargas ou de correntes de descarga e ainda, ao

promover a distribuição segura de potenciais na superfície do solo, quando é

injetada corrente em seus eletrodos. [9], [10]

Um aterramento é constituído basicamente de três componentes: as

conexões elétricas que ligam um ponto do sistema aos eletrodos, os eletrodos de

aterramento e a terra que envolve os eletrodos, como ilustra a figura 2.1.

Figura 2.1 - Constituição de um aterramento

O ponto do sistema que se deseja conectar ao solo pode ser de natureza

variada. Dependendo da aplicação, este pode constituir-se em uma trilha numa

placa de circuito impresso, na carcaça de um motor ou de um computador ou, ainda,

no neutro de um sistema elétrico.

Os eletrodos de aterramento, basicamente são constituídos de qualquer

corpo metálico enterrado no solo, como por exemplo, barras de material em cobre ou

aço cobreado, cantoneiras de ferro galvanizado, sistemas hidráulicos ou malhas de

condutores de cobre em reticulado. A disposição geométrica dos eletrodos no solo

depende de sua aplicação. O mais comum é a utilização de hastes verticais, usadas

principalmente quando as camadas mais profundas do solo têm menor resistividade.

[9], [10]

Para se avaliar a natureza dos aterramentos, deve ser considerado que, em

geral, uma conexão a terra apresenta resistência, capacitância e indutância, cada

qual influindo na capacidade de condução de corrente para terra. A impedância é a

maneira na qual o sistema enxerga o aterramento. Esta impedância, denominada

Impedância de Aterramento, pode ser conceituada como a oposição oferecida pelo

solo à injeção de corrente elétrica no mesmo, através dos eletrodos, e se expressa

quantitativamente por meio da relação entre a tensão aplicada ao aterramento e a

corrente resultante. [9]

A figura 2.2 ilustra a natureza dessa impedância, que apresenta uma

representação simplificada de aterramento por meio de um circuito equivalente e

explica sucintamente a origem da sua configuração.

Figura 2.2 - Componentes de Corrente no solo

Se uma porção limitada do eletrodo é considerada, pode-se notar que a

corrente dissipada para o solo é composta pelas quatro componentes representadas

na figura. A corrente que é injetada no eletrodo é parcialmente dissipada para o solo

e parcialmente transferida para o comprimento restante do eletrodo. No que

concerne a essa última parcela, nas correntes longitudinais são observadas perdas

internas ao condutor, e um campo magnético é estabelecido na região em volta dos

caminhos da corrente, tanto no interior como no exterior do condutor. Em termos de

um circuito equivalente, o cômputo das energias correspondentes pode ser feito por

meio de uma resistência e uma indutância em série. [9]

2.2. Resistividade do solo

A terra, isto é o solo, pode ser considerado como um condutor através do

qual a corrente elétrica pode fluir, ou melhor, dissipar-se. [11]

A resistividade do solo pode variar muito através da profundidade, devido as

diferenças na porcentagem de umidade, tipo do material que compõe o solo,

temperatura, idade de formação geológica, entre outras.

Os solos que apresentam resistividade mais baixa são os que contêm

resíduos vegetais, os pantanosos e os situados no fundo de vales e nas margens de

rios. Os de maior resistividade são os arenosos, os rochosos e os situados em locais

altos e desprovidos de vegetação. [11]

Na Tabela 2.1 são encontrados alguns valores típicos de resistividade em

função da composição do solo.

Tabela 2.1 - Resistividade de alguns solos em função da composição

Tipo de Solo Resistividade (Ω m)

Solos aráveis 50 a 500

Argila 300 a 5.000

Areia 1.000 a 8.000

Calcário 500 a 5.000

Granito e Arenito 100 a 10.000

Basalto 10.000 a 20.000

Os solos, na sua maioria, não são homogêneos conforme tabela 2.1 e sim

formados de diversas camadas de resistividades diferentes. Estas camadas são

normalmente horizontais e paralelas à superfície do solo. Há casos em que elas se

apresentam inclinadas e até verticais devido a alguma falha geológica. Porém, os

estudos apresentados para a pesquisa do perfil do solo, consideram as camadas

aproximadamente horizontais, uma vez que outros casos são mais raros.

Em conseqüência da variação de resistividade nas camadas do solo, a uma

variação da dispersão de corrente.

2.2.1. Estratificação do solo

O solo é constituído, em geral, por várias camadas horizontais com

formação geológica diferente, por esta razão o solo é modelado em camadas

estratificadas, conforme mostrado abaixo. [10]

Figura 2.3 - Solo estratificado em várias camadas

Figura 2.4 - Solo estratificado em duas camadas

2.2.2. Determinação da resistividade do solo

A primeira informação necessária para a elaboração de um projeto de

aterramento é ter o conhecimento prévio das características do solo, principalmente

no que diz respeito à sua constituição. Portanto, conhecer o valor da resistividade

do solo é fundamental no início da realização de um projeto de aterramento. [10]

A resistividade do solo (ρ) varia bastante de um local para outro e, às vezes,

em pontos bem próximos são verificadas alterações razoáveis nos valores medidos.

Para a medição da resistividade do solo, basicamente há duas maneiras:

• Medição por amostragem – esta é realizada em laboratório, ensaiando-

se uma amostra de solo coletado no local cuja resistividade se deseja

conhecer; entretanto, a medição por amostragem apresenta um grande

inconveniente, pois não pode assegurar que a amostra apresente no

laboratório exatamente as mesmas características que apresentava no

local de origem, principalmente em relação a umidade e compactação.

[9]

• Medição local – pela imposição de determinados sinais eletromagnéticos

em regiões limitadas do solo, através de eletrodos adequadamente

posicionados, sendo possível caracterizar, pela detecção dos potenciais

estabelecidos nas imediações, a composição do solo na região, em

termos de sua resistividade.

Um método rápido de determinação, porém raramente aplicado, baseia-se

na medição da resistência de aterramento de um eletrodo vertical cravado no solo,

cuja resistividade se deseja conhecer, através do método da queda de potencial. [9]

O valor da resistência de aterramento de um eletrodo vertical de

comprimento “l” e diâmetro “d”, pode ser determinado pela equação 2.1:

(2.1)

onde:

: resistividade aparente do solo no local de fincamento da haste (Ω. m);

l: comprimento cravado da haste (m);

d: diâmetro da haste (m).

Consegue-se desta forma obter o valor de ρ

na profundidade do eletrodo,

uma vez medido o valor de R.

Outro método, que pela sua facilidade operacional e precisão fornecida, é o

mais utilizado no âmbito das concessionárias de energia, é o método de Frank

Wenner. Em 4.1.5 apresenta-se o desenvolvimento desse método, por estar

diretamente ligado à confecção do protótipo.

2.3. Resistência de aterramento

Os caminhos de corrente no solo apresentam uma geometria complexa e,

assim, ao analisar a terra como um condutor de corrente, não se tem a mesma

simplicidade de tratamento existente no caso de condutores metálicos lineares. A

corrente ao ser injetada no solo, tende a se dispersar em todas as direções,

percorrendo caminhos determinados pelas características do solo.

2.3.1. Medição de resistência de aterramento

Para efetuar uma medição de resistência de aterramento, é necessário a

obtenção de um circuito elétrico, composto de um ponto onde se injeta uma corrente

e um ponto onde se retire essa corrente. A corrente é injetada através do sistema de

4 l

aterramento a ser medido e retirada através de um aterramento ou terra auxiliar que

poderá ser composto por uma ou mais hastes interligadas.

A quantificação da resistência de um aterramento pode ser realizada por

meio da razão entre o potencial do sistema de aterramento em relação a um ponto

infinitamente afastado e a corrente que se faz fluir entre o aterramento e tal ponto.

Assim, pela Lei de Ohm, a corrente injetada circulará pela terra e provocará

em sua superfície uma tensão, resultante do produto da resistência de terra até o

ponto a ser medido, pela corrente injetada.

A medição da resistência de terra de um eletrodo pode ser feita então,

utilizando-se um amperímetro e um voltímetro ou, diretamente através do megger

terra também denominado terrômetro ou telurímetro. [12]

Em ambos os métodos, a localização do eletrodo de tensão com relação ao

terra auxiliar é muito importante na determinação do valor real da resistência a ser

medida. Aconselha-se que essa distância não seja inferior a 40 metros para

pequenos aterramentos e a 100 metros no caso de malhas. A resistência real do

aterramento, para solos homogêneos, se dará quando o eletrodo de potencial,

colocado aproximadamente 60% da distância entre o centro elétrico da malha e o

eletrodo de corrente e em linha com estes, normalmente está na região do patamar.

Este eletrodo tem sua localização gradativamente variada ao longo dessa direção,

efetuando-se uma medição para cada posição, de forma a gerar uma curva

semelhante à da figura 2.6, da qual obtém-se o valor da resistência do aterramento.

[9], [13]

2.3.1.1 Método volt – amperimétrico

Consiste em medir a resistência do aterramento em função da queda de

potencial usando um terra auxiliar, criando uma estrutura composta por uma haste

de injeção de corrente e uma haste de medição de potencial. [8]

Figura 2.5 - Esquema de medição da resistência de terra

onde:

- sistema de aterramento em ensaio

- eletrodo de potencial

- eletrodo corrente

x - distância do eletrodo de potencial em relação ao sistema a ser medido

d - distância do eletrodo de corrente em relação ao sistema a ser medido

V - voltímetro

I - amperímetro

Este método de análise é baseado na curva de resistência aparente,

apresentado na figura 2.6.

O método consiste na aplicação e monitoração de uma determinada corrente

no sistema de aterramento em teste (R

) fazendo-a circular através do eletrodo de

corrente (E

). A corrente (I) injetada em (R

) provocará a aparição de potenciais na

superfície do solo. Esses potenciais são medidos através do eletrodo de potencial

). Os potenciais ao longo do trecho (R

) a (E

) terão o aspecto da figura 2.6,

assumindo, por conveniência, que o potencial em (R

) é zero.

A resistência do sistema de aterramento em teste é o valor em Ohms do

trecho da curva que tem valores constantes, constituindo um patamar.

Portanto, para se obter o valor real da resistência é preciso instalar o eletrodo

de potencial (E

)

fora das zonas de influência do sistema em teste (trecho A da

curva) e do eletrodo de corrente (trecho B).

Figura 2.6 – Curva de resistência aparente em função da distância

A distância (d) deverá ser maior possível para que o patamar seja formado

com clareza.

Na aplicação deste método, o eletrodo de corrente deve ser colocado a uma

distância do centro elétrico do aterramento (aproximadamente igual ao centro

geométrico) superior a 3 ou 4 vezes a maior dimensão linear do aterramento. [9]

O resultado da divisão de V por I, de acordo com a equação 2.2, lidos nos

respectivos aparelhos nos dará o valor da resistência de terra até o ponto

considerado.

(2.2)

Este método apresenta a vantagem de termos correntes injetadas no solo, da

ordem de alguns ampéres, o que faz com que a interferência existente no solo seja

desprezível.

Normalmente, o que limita a corrente é a resistência do terra auxiliar, que é

normalmente alta. Para se obter valores mais altos de corrente, deve-se diminuir a

resistência, quer aumentando o número de hastes, quer aplicando ao solo, em volta

das hastes do terra auxiliar uma solução de água e sal.

Com isto, se consegue uma redução sensível, porém temporária, pois o efeito

da umidificação do solo, principalmente em solos arenosos é de curta duração.

2.3.1.2 Método do Megger

A base deste processo de medida é a mesma do método anterior, porém os

diversos aparelhos utilizados estão contidos no chamado Megger.

O esquema de ligação é composto pela disposição dos eletrodos de corrente

e C

) e dos eletrodos internos de potencial (P

e P

), onde temos (D) como a

distância entre o terra auxiliar (eletrodo de corrente C

) e o terra a ser medido e (x)

que é a distância entre o eletrodo de potencial (P

) e o terra a ser medido, como está

indicado na figura a seguir.

Figura 2.7 - Esquema de ligação com 4 terminais utilizando o Megger

Para que se tenham resultados confiáveis é indicado que o aparelho

utilizado seja de corrente alternada e que possua filtro para eliminação de correntes

de interferência.

2.4. Conceitos básicos de segurança em aterramento

As aplicações dos aterramentos elétricos estão fundamentalmente

associadas a manter os valores de potencial dentro de limites que proporcionem

segurança de pessoas e mesmo animais, que porventura venham a tocar ou a pisar

próximo a estruturas metálicas aterradas e energizadas acidentalmente.

2.4.1. Caracterização de condições de risco

Quando as partes do corpo humano são submetidas a uma diferença de

potencial, o mesmo é percorrido por uma corrente elétrica, que pode resultar em

diversos efeitos para o indivíduo, configurando-se como uma condição de risco. No

que se refere ao aterramento elétrico, é possível caracterizar algumas dessas

situações típicas quando flui corrente pelo mesmo, sendo usual classificá-las e

referenciá-las como parâmetros de restrição nos projetos elétricos. Estes parâmetros

são denominados tensão de passo, tensão de toque e tensão transferida. [9]

2.4.1.1 Tensão de passo

Quando um indivíduo se encontra no interior de uma malha de terra, e

através desta está fluindo, naquele instante, uma determinada corrente de defeito,

fica submetido a uma tensão entre os dois pés. [8], [12]

A definição clássica do potencial de passo é: a diferença de potencial que

aparece entre dois pontos situados no chão e distanciados de 1 (um) metro, para

pessoas, devido a passagem de corrente de falha pela terra.

Figura 2.8 - Demonstração de um indivíduo submetido a uma tensão de passo

Figura 2.9 - Esquema elétrico para condição de tensão de passo

A equação do potencial de passo é:

(2..3)

onde:

= resistência do corpo humano, considerada como 1000 Ω

= resistência de contato, considerada como 3 vezes a resistividade superficial do

solo

= corrente de choque pelo corpo humano

= corrente de falha no sistema

, R

e R

são as resistências dos trechos de terra considerados.

2.4.1.2 Tensão de toque

Se uma pessoa toca um equipamento aterrado ou o próprio condutor, pode

ser que se estabeleça, dependendo das condições de isolamento, uma diferença de

potencial entre as mãos e os pés. Conseqüentemente, teremos a passagem de uma

corrente pelo braço, tronco e pernas, que dependendo da duração e intensidade da

corrente, pode provocar fibrilação ventricular

, com graves riscos à pessoa. [8], [12]

Fibrilação ventricular: é um aceleramento anormal dos batimentos cardíacos que dificulta o bombeamento do

sangue para o corpo

Figura 2.10 - Demonstração de um indivíduo submetido a uma tensão de toque

Figura 2.11 - Esquema elétrico para condição de tensão de toque

A equação que nos dá o valor do potencial de toque é:

(2.4)

onde:

= resistência do corpo humano, considerada como 1000 Ω

= resistência de contato que pode ser considerada 3 vezes a resistividade

superficial do solo.

= corrente de choque pelo corpo humano.

= corrente de falha no sistema

e R

são as resistências dos trechos de terra considerados.

O quadro a seguir mostra os potenciais de toque toleráveis em função da

resistividade do solo considerando I

= 10mA que é o valor de corrente para a qual

não se percebe nenhum efeito patofisiológico

perigoso. [14], [15]

Tabela 2.2 - Potenciais de toque em função da resistividade do solo

Resistividade (Ω.m) Potencial de toque tolerável (V)

0 10,00

50 10,74

100 11,50

200 13,00

300 14,50

400 16,00

500 17,50

1000 25,00

2000 40,00

3000 55,00

2.4.1.3 Tensão de transferência

O termo potencial de terra transferido é a diferença de potencial que aparece

devido à passagem de corrente de falha para a terra, entre um ponto do sistema de

aterramento e um ponto aterrado remotamente.

efeito patofisiológico: efeito das doenças que altera o estado normal do organismo (fisiológico)

2.4.2. Efeitos da corrente elétrica no corpo humano

Os valores permissíveis encontrados na bibliografia existente variam um

pouco de um autor para outro, mas todos se baseiam em experiências práticas e em

estudos fisiológicos levando-se em consideração os limites do corpo humano de se

expor aos efeitos provenientes do choque elétrico.

A avaliação dos efeitos provocados pelo choque elétrico apresenta certa

complexidade, pois os mesmos dependem de muitos fatores, como o percurso no

corpo, intensidade e tempo de duração do choque, tipo de onda e freqüência da

corrente, valor da diferença de potencial que gera a corrente e condições orgânicas

do individuo. [9], [15]

De uma maneira geral a corrente permissível do corpo humano e as

sensações causadas pela mesma podem ser resumidas na tabela abaixo:

Tabela 2.3 - Correntes permissíveis do corpo humano

Corrente (mA)

EFEITO FISIOLÓGICO

Homem Mulher

Ausência da sensação das mãos. 1,2 0,6

Nível limiar de percepção. 5,2 3,5

Choque desconfortável, mas não doloroso; controle

muscular mantido.

9,0 6,0

Choque doloroso, para 99,5% das pessoas testadas, mas

ainda com controle muscular mantido.

62,0 41,0

Valores acima de 62 ou 41mA para homem e mulheres respectivamente,

serão fatais, pois a pessoa não terá mais controle muscular e ficará “grudada” à

estrutura, além de enrolar a língua, causando asfixia.

Registre-se que os valores de correntes citados na Tabela 2.3 referem-se à

corrente alternada. Para uma corrente contínua provocar o mesmo efeito, sua

intensidade deverá ser da ordem de 3 vezes os valores referidos.

O valor da corrente máxima admissível através do corpo humano não é

rigorosamente definido. Usualmente define-se a corrente máxima admissível através

do corpo humano como a maior corrente que percorrendo um caminho que inclua o

coração não provoque o início de fibrilação ventricular ou uma parada cardíaca.

Os efeitos principais que uma corrente elétrica produz no corpo humano são

fundamentalmente quatro: tetanização

ou contração muscular; parada respiratória;

queimadura e fibrilação ventricular. [11].

Dalziel [16] recomenda que se use o valor expresso por:

(2.5)

onde: (I) é a corrente de fibrilação e (t) a duração do choque para tempos superiores

a 30 ms e inferiores a 3 segundos.

2.5. Normalização

A constante atualização da legislação brasileira e das normas técnicas

referentes à prevenção de acidentes do trabalho é uma das principais ferramentas à

disposição de trabalhadores e empregadores para garantir ambientes de trabalho

seguros e saudáveis.

Os instrumentos jurídicos de proteção ao trabalhador têm sua origem na

Constituição Federal que, ao relacionar os direitos dos trabalhadores, incluiu entre

eles a proteção de sua saúde e segurança por meio de normas específicas.

Coube ao Ministério do Trabalho estabelecer essas regulamentações

(Normas Regulamentadoras – NR) por intermédio da Portaria nº 3214/78. A partir

daí, uma série de outras portarias foram editadas pelo Ministério do Trabalho com o

propósito de modificar ou acrescentar normas regulamentadoras de proteção ao

trabalhador. Sobre a segurança em instalações e serviços em eletricidade, a

referência é a NR-10, que estabelece as condições mínimas exigíveis para garantir a

segurança dos empregados que trabalham em instalações elétricas, em suas

diversas etapas, incluindo elaboração de projetos, execução, operação,

manutenção, reforma e ampliação, em quaisquer das fases de geração,

transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica. A NR-10 exige também que

Tetanização: contração muscular generalizada (hipertrofia muscular)

sejam observadas as normas técnicas oficiais vigentes e, na falta destas, as normas

técnicas internacionais. [17].

No Brasil, as normas técnicas oficiais são aquelas desenvolvidas pela

Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT e registradas no Instituto

Nacional de Metrologia e Qualidade Industrial - INMETRO.

Essas normas são resultados de uma ampla discussão de profissionais e

instituições, organizados em grupos de estudos, comissões e comitês.

A ABNT é o Fórum Nacional de Normalização e é a representante brasileira

no sistema internacional de normalização, o qual é composto por entidades

nacionais, regionais e internacionais. Para atividades com eletricidade, há diversas

normas que abrangem quase todos os tipos de instalações e produtos.

As normas brasileiras, cujo conteúdo é de responsabilidade dos Comitês

Brasileiros – CB, e dos Organismos de Normalização Setorial – ONS, são

elaboradas por Comissões de Estudo – CE, formadas por representantes dos

setores envolvidos, delas fazem parte: produtores, consumidores, universidades,

laboratórios entre outros.

No Brasil, infelizmente, as normas de aterramento encontram-se, no mínimo,

defasadas, como a Norma Brasileira Registrada – NBR – 7117. Quanto as

exigências de resistência, tem-se referências na NBR-5419 – Proteção contra

Descargas Atmosféricas e na NBR-5410 – Instalações Elétricas de Baixa Tensão [8].

Os projetistas do mundo todo por muitos anos se basearam na IEEE-80

atualmente em sua revisão 2000. Há tendência que os principais parâmetros de

projeto recomendados neste guia, sejam adotados pela Norma Brasileira em

elaboração.

Além das normas referidas de acordo com o assunto, se faz necessário

consultar outras normas técnicas. O conhecimento técnico e a tecnologia utilizada

por fornecedores de equipamentos, empresas de engenharia de segurança do

trabalho e medicina do trabalho, concessionárias de serviços públicos, associações

e organizações existentes no Brasil e no mundo, deverão ser consideradas e

assimiladas. Trata-se da aquisição dos conhecimentos técnicos acumulados pelas

empresas, fabricantes de equipamentos, universidades, e centros de pesquisas, os

quais são da mais alta importância em termos da técnica e da segurança.

3. VIABILIDADE DA MEDIÇÃO DE MALHA DE TERRA EM

SUBESTAÇÕES ENERGIZADAS

Um dos métodos propostos, para realização da medição de malha de terra

em subestações energizadas é o da queda de potencial, que consiste em fazer

circular uma corrente através do sistema de aterramento sob ensaio por intermédio

de um eletrodo auxiliar de corrente e medir a tensão entre o sistema de aterramento

e o terra de referência (terra remoto), por meio de um eletrodo auxiliar de potencial.

Em determinadas situações torna-se muito difícil ou mesmo impossível à aplicação

do método de queda de potencial conforme descrito. Entre estas situações

destacam-se as seguintes:

• Em regiões densamente povoadas, freqüentemente é impossível lançar

os circuitos de corrente e potencial nas distâncias necessárias para se

fazer uma medição confiável. [6]

• Em sistemas de aterramento de grandes dimensões, a dificuldade mais

evidente é de se estender os circuitos de corrente e potencial a

distâncias muito grandes, às vezes de vários quilômetros, o que dificulta

enormemente a medição; outro aspecto importante é que estes sistemas

apresentam, usualmente, resistências de aterramento inferiores a 1,0

(Ω), o que traz incerteza quanto aos resultados obtidos em decorrência

de fatores como acoplamento, impedâncias de circuito de ensaio,

sensibilidade dos instrumentos e outros; além disso, a reatância não é

desprezível quando comparada com a resistência, sendo mais adequado

falar-se em impedância (que é função da freqüência). [6]

• Em instalações energizadas ou próximas de regiões atravessadas por

linhas de transmissão e alimentadores energizados. [6]

No caso das limitações apresentadas nas duas primeiras situações, existe a

alternativa de se utilizar como circuito de corrente, uma linha de transmissão

desenergizada que chegue à instalação e como circuito de potencial, um circuito de

comunicação, ou mesmo uma outra linha de transmissão cuja rota seja afastada do

circuito de corrente. [6]

Os cabos pára-raios de todas as linhas de transmissão que chegam à

instalação devem ser desconectados do sistema de aterramento sob ensaio, bem

como as blindagens dos cabos isolados, neutros de linhas de distribuição e

contrapesos contínuos de linhas de transmissão. Argumenta ainda, que o efeito do

acoplamento entre os cabos de interligação dos circuitos de corrente e potencial

torna-se um fator importante nas medições de resistência de aterramento com

valores muito baixos, particularmente envolvendo sistemas de aterramento de

grande porte, que exigem grandes comprimentos de cabos de interligação. [6]

Para a medição de potenciais na superfície do solo, bem como da

resistência de um sistema de aterramento global envolvendo cabos pára-raios das

linhas de transmissão, neutros de alimentadores e outros, recomenda-se o método

de injeção de corrente. Este, de forma semelhante ao método da queda de

potencial, consiste em fazer circular uma alta corrente entre o sistema de

aterramento sob ensaio e o solo, através de um eletrodo auxiliar de corrente, e medir

os potenciais na superfície do solo bem como a resistência de aterramento (a partir

da elevação de potencial do sistema) através de um eletrodo auxiliar de potencial. O

eletrodo de corrente, de modo geral, é um trecho de uma linha de transmissão, uma

malha de aterramento de subestação adjacente, ou uma malha auxiliar construída

para este fim. Esse eletrodo deve ter uma resistência de valor compatível com o

sistema de medição, baixa o suficiente de modo a não limitar demasiadamente a

corrente injetada.

Para evitar distorções na dispersão de corrente pelo solo, a conexão do

circuito de corrente com o eletrodo de corrente deve estar a uma distância (de 3 a 4

vezes a maior dimensão) do sistema de aterramento sob ensaio, ou seja, numa

região de solo que não receba influência desta. O procedimento usual é utilizar

como circuito de corrente as fases de uma linha de transmissão desenergizada

pertencente à instalação, ligando-as à estrutura (simulando um curto-circuito) a uma

distância adequada do sistema de aterramento. [9]

Consiste o eletrodo de potencial de uma haste metálica cravada firmemente

no solo, a qual deve ser deslocada a partir do sistema de aterramento sob ensaio,

em intervalos regulares, fazendo-se a leitura da tensão com um voltímetro de alta

impedância de entrada. O acoplamento entre circuitos de corrente e potencial pode

ser evitado, deslocando-se o de potencial numa direção entre 90 graus e 180 graus

em relação ao de corrente.

Observam-se assim, limitações de ordem técnica nas metodologias

existentes, sem falar no alto custo do pessoal envolvido com o preparo das torres

(tempo e quantidade de pessoas), associada à impossibilidade de desligar as linhas

de transmissão, nos dias de hoje.

Para medir sistemas de aterramento de baixa resistência em grandes

subestações são necessários equipamentos especiais. [13]

3.1. Metodologias utilizadas no estudo de casos

3.1.1. Medição em alta freqüência

O princípio da medição em alta freqüência é que seu gerador (no protótipo

utilizou-se a freqüência de 25 kHz) conectado entre o aterramento a ser medido e o

eletrodo auxiliar de corrente faz circular uma corrente de medição que produz a

distribuição de potencial representado por uma espécie de funil em cada um destes

dois pontos. Entre ambos os funis de potencial cuja profundidade e extensão ficam

determinados pela disposição do eletrodo auxiliar e o aterramento sob medição,

existe uma zona neutra que se pode chamar de patamar de potencial, sempre que o

eletrodo auxiliar esteja suficientemente distanciado do outro aterramento a medir.

[13], [18], [19]

Neste patamar deve-se cravar o eletrodo de potencial com a finalidade de

recolher a tensão originada entre este eletrodo e o sistema de aterramento. O valor

da resistência de aterramento fica determinado pela relação tensão originada /

corrente injetada.

A utilização de uma freqüência alta nas medições permite que se teste o

aterramento numa condição mais parecida com aquela em que este será chamado

para dissipar um surto tipo de chaveamento ou mesmo de descarga atmosférica.

Para a freqüência usada no protótipo desenvolvido, a reatância indutiva

do(s) cabo(s) pára-raios das linhas de transmissão ligadas à subestação, em um vão

de comprimento normal, é razoavelmente alta, o que permite reduzir ou mesmo

eliminar o efeito dos aterramentos adjacentes ao que se está medindo.

Citam-se como exemplos, as impedâncias próprias e mutuas dos cabos

pára-raios, nas freqüências de 60 Hz e 25 kHz. Na tabela 3.1, desenvolvida a partir

da formulação de Carson os elementos envolvidos têm os valores calculados: [20]

Tabela 3.1 - Tabela resultante da formulação de Carson para a freqüência de 60 Hz

Cálculo de Zmutua entre cabo pára-raios e fases

Zmutua = Re+ j w .0,0002.Ln{ 659/DMG *√ ρa / f } (Ω/km) =

Zmutua = 0,060 + j 0,446 ou 0,450 e

82,34

Re= 0,06

Ω / km

f = 60

w = 2.π.f = 376,992

rad/s

Cálculo da Zprópria da malha formada pelo cabo pára-raios e retorno pelo

solo

Zprópria = Rprópria caboPR / 2 + Re + j w .0,0002.Ln{ 659/C*√ ρa / f } Ω/km

Zprópria = 1,772 + j 0,770 ou 1,932 e

23,49

C = √ (RMG do cabo terra) .Dist.entre cabos pára-raios) = 0,086718

Tabela 3.2 - Tabela resultante da formulação de Carson para a freqüência de 25 kHz

Cálculo de Zmutua entre cabo pára-raios e fases

Zmutua = Re+ j w .0,0002.Ln{ 659/DMG *√ ρa / f } Ω/km

Zmutua = 0,060 + j91,020 ou 91,020 e

89,96

Re= 0,06 Ω / km

f = 25000 Hz

w = 2.π.f = 157080

rad/s

Cálculo da Zprópria da malha formada pelo cabo pára-raios e retorno pelo

solo

Zprópria = Rprópria caboPR / 2 + Re + j w .0,0002.Ln{ 659/C*√ ρa / f } Ω/km

Zprópria = 1,772 + j 226,060 ou 226,067 e

89,55

C = √ (RMG do cabo terra) .Dist.entre cabosPR) = 0,086718

Sendo DMG a distância média geométrica e RMG o raio médio geométrico

Observa-se que para este exemplo, a impedância mútua aumenta cerca de

200 vezes enquanto que a impedância própria aumenta cerca de 100 vezes,

passando o ângulo para próximo de 90°.

Em subestações com entradas e saídas de linhas de transmissão dotadas

de cabos pára-raios ligados à malha de terra, estima-se, que um equipamento com

tal freqüência, meça somente a resistência da malha de terra em estudo. Dessa

forma, o valor obtido tende a ser mais real do que aquele fornecido por

equipamentos convencionais de baixa freqüência, para os quais se desacoplam os

cabos pára-raios das instalações.

Um protótipo para medição em alta freqüência deve prever também a

compensação das componentes reativas em jogo, caso do protótipo desenvolvido,

em que se acoplou um módulo que permite a introdução de capacitâncias com a

finalidade de efetuar a compensação dos reativos indutivos presentes na medição.

3.1.2. Metodologia convencional reduzida

Define-se como “convencional reduzida” a metodologia que se aplica a

sistemas de aterramento, nas condições de energizados ou não, em locais com

poucas e pequenas áreas disponíveis para colocação dos eletrodos de retorno de

corrente e de potenciais, tais como áreas em regiões semi-urbanas ou rurais.

Nessa metodologia de medição, se utiliza o método convencional da queda

de tensão, aplicado porém, a eletrodos de corrente posicionados “relativamente

próximos” do sistema de aterramento em teste com freqüência de medição de 25

kHz.

Testes iniciais em aterramentos isolados e subestações pré-selecionadas

indicam que o posicionamento do eletrodo de corrente se dará a distâncias próximas

de 1,25 vezes a maior dimensão do sistema de aterramento. [6]

Esta metodologia pode ser aplicada em duas situações:

• Metodologia convencional reduzida aplicada a malhas com configuração

definida e conhecida - O operador indica ao software a maior dimensão

do sistema de aterramento. O software fornece o posicionamento dos

eletrodos de corrente e de potencial. São feitas as leituras de 03

eletrodos de potencial; o software analisa os desvios entre as leituras e

compara com um padrão estabelecido; se inferior, a medição estará

completada; se superior, o software indica um novo posicionamento com

acréscimo de 30% das distâncias, repetindo o processo, até se obter

desvios dentro do padronizado. [6]

• Metodologia convencional reduzida aplicada a malhas com configuração

desconhecida - O operador indica ao software um valor estimado para a

maior dimensão do aterramento. A partir daí o procedimento é idêntico ao

descrito para configuração conhecida. A velocidade do ensaio está ligada

à qualidade do valor estimado. [6]

3.1.3. Metodologia de diferenças de potencial em pontos próximos

ao sistema de aterramento – DDPprox

Neste trabalho a metodologia definida como DDPprox é aquela que se aplica

a sistemas de aterramento, energizados ou não, em locais com áreas disponíveis

reduzidas (tais como áreas urbanas) para colocação de eletrodos de retorno de

corrente e de potenciais. Nesse tipo de medição, utilizaram-se além da freqüência de

25 kHz as freqüências de 270 Hz, 1,47 kHz, por serem encontradas em

equipamentos convencionais existentes no mercado. [6].

Pretende-se fazer com que essa metodologia tenha seu ponto alto de

aplicação, em sistemas energizados, localizados principalmente em áreas de

nenhuma disponibilidade (densamente edificadas), para colocação dos eletrodos de

corrente e potencial, a não ser aquela imediatamente adjacente à do sistema em

teste.

Nessa metodologia não se utiliza o conceito da queda de potencial em

relação a um ponto remoto, o que é feito convencionalmente, e que tem inviabilizado

as medições notadamente de sistemas de aterramento de médias e grandes

dimensões. São realizadas em espaços bem pequenos, medidas de diferença de

potencial em pontos pré-determinados do sistema de aterramento, dependendo do

grau de conhecimento que se tenha de sua configuração, relativamente ao ponto de

injeção de corrente.

A determinação dos parâmetros do aterramento é feita, então, por método

de estimação.

Essa metodologia pode ser aplicada em duas situações:

• Metodologia DDPprox aplicada a malhas de aterramento com

configuração conhecida - Informadas pelo operador as coordenadas

limítrofes da configuração, o software indica o posicionamento do

eletrodo de corrente e dos eletrodos de potencial em pontos notáveis

como centro de maior e menor quadrícula ou pontos de quina de

periferia, a partir de um ponto de referência (centro geométrico do

sistema, neutro de um transformador, entre outros). Feitas as medidas, o

software fornece o valor da resistência do aterramento.

Figura 3.1 - Metodologia DDPprox aplicadas a malhas de aterramento com

configuração conhecida

• Metodologia DDPprox aplicada a malhas de aterramento com

configuração desconhecida – quando não se dispuser de informações do

sistema de aterramento (dimensões reais, tamanhos de quadrículas,

profundidade de condutores, e outros), o operador informa as

coordenadas do ponto de injeção de corrente escolhido (provavelmente o

neutro de um transformador) e as coordenadas de um provável condutor

periférico previsto a partir da presença de algum elemento (final da

camada de brita ou alambrado divisório de área energizada); o operador

efetua o posicionamento do eletrodo de corrente e dos eletrodos de

potencial (em número e espaçamentos diferentes e aleatórios, função

das características da planta do local), independentemente de se

conhecer a posição relativa do sistema de aterramento. Feitas as

medidas, o software fornece o valor da resistência do aterramento,

utilizando o algoritmo de estimação.

Figura 3.2 - Metodologia DDPprox aplicada a malhas de aterramento com

configuração desconhecida.

4. MODELAGEM E ESPECIFICAÇÃO DO PROTÓTIPO

UTILIZADO NO ESTUDO DE CASOS

4.1. Modelagem de solo utilizada pelo protótipo para estratificação

Para efetuar as simulações e definir a resistência das malhas das

subestações é necessário à adoção de um método de modelagem de solo. A

modelagem de solo utilizada pelo protótipo é a automatização do procedimento

gráfico através de um programa de computador. O usuário introduz as resistividades

medidas pelo método dos 04 eletrodos de Wenner e o programa apresenta como

resultado um modelo de n - camadas do solo, com a resistividade e a profundidade

de cada camada. Com isso, evitam-se erros gráficos manuais, acelera o processo de

estratificação do solo e obtêm-se resultados mais precisos.

4.1.1. Descrição da metodologia de modelagem de solo

Para efetuar os cálculos de estratificação é necessário que o usuário entre

com os dados, distâncias entre eletrodos para o método de Wenner e as resistências

aparentes medidas / resistividades aparentes calculadas, após a geração do gráfico

pelo programa a partir de uma analise do gráfico o usuário determina os pontos

onde o programa irá segmentar a curva.

Por motivo de consistência com os gráficos empregados no procedimento

manual, o programa assume que os gráficos estão em escala log-log. Para abcissa

a/d, (a) separação entre eletrodos e (d) profundidade da camada do solo, utiliza-se

uma faixa de 0.1 a 100 (três décadas), com precisão de 40 pontos/década. São

geradas curvas-padrão com parâmetro

/ ρρ entre 0.01 e 100, com 20 curvas por

década, resultando num total de 81 curvas-padrão;

Para interpolação da curva de medidas de resistividade, utiliza-se o método

de spline cúbica

. Além de produzir bons resultados, tal método permite a

extrapolação de dados. [21]

Spline cúbica é uma técnica de aproximação que consiste em se dividir o intervalo de interesse em vários

subintervalos e interpolar, da forma mais suave possível, nestes subintervalos, com polinômios de grau pequeno.

A segmentação da curva de resistividade é realizada a partir de uma análise

do gráfico de resistividade. Ao fim do cálculo das resistividades e espessuras das

camadas do solo, camadas consecutivas com características próximas poderão ser

fundidas.

Para efetuar a estratificação do solo o programa realiza o ajuste de curvas.

Cada segmento interpolado da curva de resistividade é deslocado horizontalmente

em passos discretos. Para cada passo, determina-se o deslocamento vertical ótimo,

de modo a minimizar o erro quadrático total para todos os pontos do segmento. Para

ajuste do primeiro segmento (e, conseqüentemente, determinação das

características da primeira camada), o procedimento é repetido e os erros

quadráticos computados. São descartados resultados com espessura fora dos

limites esperados e o resultado com menor erro quadrático é determinado.

Para o cálculo das demais camadas, é determinado o primeiro pólo, desloca-

se a curva auxiliar correspondente de modo que passe pelo pólo. Para cada curva-

padrão é calculado o erro quadrático em relação ao segundo segmento da curva de

resistividade, com a restrição de que o pólo de cada curva-padrão deve estar

localizado sobre a curva auxiliar transladada. O procedimento é repetido para todas

as camadas restantes.

4.1.2. Formulação analítica do método gráfico

O método gráfico de estratificação de solo, conhecido como método

Yokogawa, tem sido amplamente utilizado devido a sua simplicidade de aplicação e

a sua precisão aceitável, quando apropriadamente utilizado. Trata-se, porém, de um

método rústico, em que erros gráficos podem passar desapercebidos e gerar

resultados incorretos, principalmente em condições de campo. [22]

Aborda-se neste estudo somente o método utilizado para obter a

estratificação do solo em 02 camadas horizontais, não sendo aplicáveis, portanto, as

técnicas aqui desenvolvidas, ao caso de solos com camadas verticais e/ou camadas

esféricas.

Através da construção de gráficos de resistividade versus espaçamento dos

eletrodos é possível obter um modelo de representação do solo.

Utilizando o equacionamento para o camadeamento de solo horizontalmente

estratificado, pode-se obter a curva correspondente e determinar os parâmetros do

modelo do solo.

4.1.3. Medição de resistividade

Considerando-se a heterogeneidade do solo, verificada pela variação de sua

resistividade à medida que se pesquisa as suas camadas, há necessidade de se

procurar os meios e métodos que determinem estas variações, sem que seja

necessário lançar mão de prospecções geológicas, o que de certo inviabilizaria os

estudos para a implantação de sistemas de aterramento. Assim sendo, foram

desenvolvidos métodos de prospecção geoelétricos que se caracterizam pela

facilidade operacional e precisão requerida. Pode-se dizer que as técnicas de

medição de resistividade do solo são essencialmente as mesmas, qualquer que seja

o propósito da medição. Entretanto, a interpretação dos dados registrados pode

variar consideravelmente, em especial, em locais onde solos com resistividade não

uniformes são encontrados. A complexidade adicional causada pelos solos não

uniformes é comum, e apenas em raríssimos casos as resistividades são constantes

com o aumento da profundidade.

4.1.4. Aparelho de medição de resistividade

Na especificação de um equipamento para medição da resistividade do solo,

deve-se levar em conta fatores como:

A característica da corrente a ser utilizada;

O esquema de detecção de correntes de interferência presentes no solo,

que venham a introduzir erros na medição.

O método prático de medição de resistividade comumente utilizado consiste

em introduzir 02 eletrodos de corrente no solo e fazer circular uma corrente entre

eles. Mede-se então a diferença de potencial usando outros 02 eletrodos de

potencial.

A disposição dos 02 eletrodos de corrente (C

e C

) e dos eletrodos internos

de potencial (P

e P

) sendo espaçados de d

, d

, e d

está indicada na figura a

seguir.

Figura 4.1 - Arranjo geral para medição de resistividade

A equação 4.1 determina o valor da resistividade aparente do solo, caso esta

varie com a profundidade, ou ainda o valor real da resistividade para o solo

homogêneo.

(4.1)

O método descrito não é usado na prática devido a falta de padronização,

mas a sua teoria dá origem ao arranjo de Wenner discutido a seguir.

4.1.5. Método de Wenner

Neste método são utilizados 04 pontos alinhados enterrados a uma

profundidade H, espaçados de uma distância “a” entre si. Pode-se observar tal

configuração na figura abaixo.

Figura 4.2 - Configuração de eletrodos para o Método de Wenner.

Injeta-se uma corrente pelo ponto C

, e coleta-se pelo ponto C

. A corrente

passando pelo solo entre os pontos C

e C

, produz uma diferencial de potencial

entre os pontos P

e P

A resistividade para este método é calculada pela equação (4.2).

(4.2)

O coeficiente de reflexão K é definido pela equação abaixo:

(4.3)

onde, K pode assumir valores entre -1<K<1

se ρ

= 0: K = -1 solo positivo, 2ª camada condutora perfeita;

se ρ

= ∞ : K = 1 solo negativo, 2ª camada isolante;

se ρ

= ρ

: K = O solo homogêneo, 2ª camada = lª camada.

A resistividade aparente num solo de 02 camadas é obtida pela equação

(4.4):

(4.4)

4.1.6. Estratificação do solo (camadas horizontais)

A resistividade aparente ρ

é obtida usando o método de Wenner derivado

da condição para 02 camadas. Reagrupando a equação 4.4, tem-se a equação 4.5.

[19]

(4.5)

onde:

= resistividade aparente medida usando o método de Wenner;

a = distância de separação entre os eletrodos de corrente e potencial;

= resistividade da primeira camada de profundidade h;

= resistividade da segunda camada que se estende até a profundidade infinita;

K definido na equação 4.3

4.1.7. Método de estratificação utilizando 16 eletrodos

O método de estratificação que utiliza 16 eletrodos é baseado no método de

Wenner. O que justifica sua utilização na obtenção das medidas de resistividade é a

redução do tempo de execução destas, então como conseqüência, a redução do

tempo em que a equipe que executa as medidas fica exposta aos riscos de

permanência na subestação.

Neste método são utilizados 16 eletrodos alinhados, controlados por uma

placa de atuadores que aciona os eletrodos de quatro em quatro; durante a

execução das medidas cada eletrodo pode ser utilizado tanto como eletrodo de

corrente como eletrodo de tensão.

O cálculo do lugar geométrico dos eletrodos é feito por um algoritmo que

utiliza o espaço disponível como dado de entrada e retorna ao usuário o número de

eletrodos que será utilizado na medição e sua localização referente ao ponto central

da medida.

Na figura 4.3 encontra-se um exemplo de disposição dos eletrodos.

Figura 4.3 - Disposição dos eletrodos para a realização das medidas de

estratificação

A seleção e acionamento dos relês que serão utilizados em cada medida é

feita pelo algoritmo de medição.

Figura 4.4 - Utilização dos eletrodos para a medição

4.2. Elementos envolvidos na medição de aterramento com o

protótipo de alta freqüência

O equipamento utilizado neste estudo, denominado protótipo, opera com

uma corrente elétrica, gerada em diversas freqüências. Ela é injetada entre o

sistema de aterramento e um eletrodo de terra auxiliar para medir diferença de

potenciais em pontos do solo de sua proximidade. Os dados passam por um

software dotado de interface gráfica para receber, processar, armazenar e

apresentar os resultados. [23]

Figura 4.1 - Vista do painel frontal do protótipo

No esquema da Figura 4.3 encontram-se de forma simplificada os

parâmetros que compõem a medição em alta freqüência realizada pelo protótipo.

Figura 4.3 - Esquema simplificado da medição

Neste esquema é possível identificar os parâmetros envolvidos na medição,

sendo que:

• L1... Ln representam a parte indutiva da impedância do circuito formada

pelas torres (cabos pára-raios das linhas de transmissão);

• R1...Rn representam uma parte da resistência do circuito (cabos pára-

raios das linhas de transmissão);

• Rat1... Ratn representam as resistências dos aterramentos de cada torre

das linhas de transmissão;

• Lm representa a parte indutiva da impedância da malha de aterramento

sob ensaio;

• Rm representa a parte resistiva da impedância da malha de aterramento

sob ensaio;

• L

representa a parte indutiva da impedância do eletrodo de corrente;

• R

representa a parte resistiva da impedância do eletrodo de corrente;

• Rat

representa a resistência de aterramento do eletrodo de corrente;

• L

representa a parte indutiva da impedância do eletrodo de potencial;

• R

representa a parte resistiva da impedância do eletrodo de potencial;

• Rat

representa a resistência de aterramento do eletrodo de potencial;

• C1, C2, C3 representam o banco de capacitores utilizado para

compensar a parte reativa do circuito.

• Ch

representa a chave de curto circuito utilizada para fazer a medida

sem compensação.

Dessa forma, como exposto no item 3.1.1, os parâmetros (resistência +

reatância) dos cabos pára-raios tendem a infinito, ou seja, passam a ser excluídos

da medição em alta freqüência.

Assim sendo, a corrente de alta freqüência tenderá a circular na sua

totalidade pelo circuito formado agora, pela malha de terra e o eletrodo auxiliar de

corrente, elevando os potenciais de superfície junto aos mesmos.

Em conseqüência, ao se deslocar o eletrodo auxiliar de potencial numa

região livre das influências (patamar da curva “com compensação” obtido na região

B) tanto da malha de aterramento sob ensaio quanto do eletrodo auxiliar de corrente,

obter-se-á o valor procurado para a resistência da malha.

Figura 4.4 - Tendência das curvas “sem e com” compensação de reativos

5. ESTUDOS DE CASOS

Efetuaram-se testes de campo em malhas de subestações com

configurações e dimensões variadas. A seguir são apresentados os resultados de

casos considerados típicos para malhas com pequena, média e grandes dimensões.

5.1. Metodologia convencional reduzida

5.1.1. CASO 1 – Malha de subestação 138 kV, com área de 2500 m

e com cabo pára-raios conectado

Testou-se o protótipo com a freqüência de 25 kHz, na malha de uma

subestação 138 / 13,8 kV, 10 -12,5 MVA, em solo com resistividade da camada

equivalente 750 Ω.m, espessura da camada equivalente 3,61 m, resistividade da

camada inferior 585 Ω.m, o que implica num coeficiente de reflexão k = - 0,12.

Pelo memorial construtivo, a malha de aterramento da subestação é

composta de 1761m de cabo de cobre nu de secção 95 mm

dispostos numa área

de 2484 m

(área energizada), com quadrículas de 3m x 3m (dimensões

retangulares de 36 m x 69 m). Complementando a malha em pontos críticos (vértices

e equipamentos), existem 63 hastes de aço cobreado de 3000 mm x 19 mm. A

subestação é alimentada por um vão de 50m derivando de uma linha de transmissão

de 138 kV, com 02 cabos pára-raios ligados ao pórtico da mesma.

Figura 5.1 – Planta da malha de aterramento caso 1

O processamento em computador forneceu para a malha com condutores

superficiais e hastes verticais, uma resistência de aterramento de 5,42 Ω.

Na Tabela 5.1 e no gráfico da Figura 5.2 mostram-se os valores obtidos

(com e sem compensação reativa) pelo deslocamento do eletrodo de potencial, a

partir de um eletrodo de corrente instalado a 270 m do neutro de baixa tensão do

transformador de potência (ponto de injeção da corrente de teste). Observa-se a

tendência da curva com valores compensados em estabilizar no patamar próximo de

5,4 Ω.

Tabela 5.1 – Medição de campo caso 1

Resistência da malha terra

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

0 50 100 150 200

Ep(m)

R (Ω)

sem correção

com correção

calculado

Figura 5.2 – Gráfico da medição de campo caso 1

5.1.2. CASO 2 – Malha de subestação 34,5 kV, com área de 2900 m

e sem cabo pára-raios conectado

Testou-se o protótipo com a freqüência de 25 kHz, na malha de uma

subestação 34,5 kV, 5,0 MVA, em solo com resistividade da camada equivalente 800

Ω.m, espessura da camada equivalente 10 m, resistividade da camada inferior 1600

Ω.m, o que implica num coeficiente de reflexão k = + 0,33.

Pelo memorial construtivo, a malha de aterramento da subestação é

composta de 960m de cabo de cobre nu de secção 70 mm

dispostos numa área de

2900 m

(área energizada), com quadrículas de dimensões variadas (dimensões da

malha trapezoidal 37 m x 61 m x 58 m). Complementando a malha em pontos

críticos (vértices e equipamentos), existem 34 hastes de aço cobreado de 3000 mm

x 19 mm. A subestação é alimentada por uma linha de transmissão de 34,5 kV, sem

cabo pára-raios ligado ao pórtico da mesma.

Figura 5.3 – Planta da malha de aterramento caso 2

O processamento em computador forneceu para a malha com condutores

superficiais e hastes verticais, uma resistência de aterramento de 9,87 Ω.

Na Tabela 5.2 e no gráfico da Figura 5.4 mostram-se os valores obtidos

(com e sem compensação reativa) pelo deslocamento do eletrodo de potencial, a

partir de um eletrodo de corrente instalado a 250 m da periferia da malha (ponto de

injeção da corrente de teste). Observa-se a tendência da curva com valores

compensados em estabilizar no patamar próximo de 9,50 Ω.

Tabela 5.2 – Medição de campo caso 2

Resistência da malha terra

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

155

Ep(m)

R (Ω)

sem correção

com correção

calculado

Figura 5.4 – Gráfico medição de campo caso 2

5.1.3. CASO 3 – Malha de subestação 138 kV, com área de 4220 m

e com cabo pára-raios conectado à estrutura metálica de

entrada e não diretamente à malha de terra

Testou-se o protótipo com a freqüência de 25 kHz, na malha de uma

subestação 138 / 13,8 kV, 2 x 25 MVA, em solo com resistividade da camada

equivalente 527 Ω.m, espessura da camada equivalente 16,8 m, resistividade da

camada inferior 1900 Ω.m, o que implica num coeficiente de reflexão k = + 0,57.

Pelo memorial construtivo, a malha de aterramento da subestação é

composta de 2280 m de cabo de cobre nu de secção 120 mm

dispostos numa área

de 4220 m

(área energizada), com quadrículas de 4m x 4m (dimensões da malha

trapezoidal de 82 m x 32 m x 74 m). Complementando a malha em pontos críticos

(vértices e equipamentos), existem 58 hastes de aço cobreado de 3000 mm x 19

mm. A subestação é alimentada por um vão de 30m derivando de uma linha de

transmissão de 138 kV, com 02 cabos pára-raios ligados ao pórtico da mesma,

porém não diretamente à malha de terra.

Figura 5.5 - Planta da malha de aterramento caso 3

O processamento em computador forneceu para a malha com condutores

superficiais e hastes verticais, uma resistência de aterramento de 6,6 Ω.

Na Tabela 5.3 e no gráfico da Figura 5.6 mostram-se os valores obtidos

(com e sem compensação reativa) pelo deslocamento do eletrodo de potencial, a

partir de um eletrodo de corrente instalado a 150 m do condutor periférico (ponto de

injeção da corrente de teste). Observa-se a tendência da curva com valores

compensados em estabilizar no patamar próximo de 5,7 Ω.

Tabela 5.3 – Medição de campo caso 3

Resistência da malha terra

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314152025

Ep(m)

R (Ω)

sem correção

com correção

calculado

Figura 5.6 – Gráfico medição de campo caso 3

5.1.4. CASO 4 – Malha de subestação 138 kV, com área de 1600 m

e sem cabo pára-raios conectado

Testou-se o protótipo com a freqüência de 25 kHz, na malha de uma

subestação 138 / 13,8 kV, 2 x 25 MVA, em solo com resistividade da camada

equivalente 163 Ω.m, espessura da camada equivalente 10 m, resistividade da

camada inferior 1817 Ω.m, o que implica num coeficiente de reflexão k = + 0,83.

Pelo memorial construtivo, a malha de aterramento da subestação é

composta de 1150 m de cabo de cobre nu de secção 120 mm

dispostos numa área

de 1600 m

(área energizada), com quadrículas de 3m x 3m (dimensões da malha

trapezoidal de 36 m x 19 m x 54,6 m). Complementando a malha em pontos críticos

(vértices e equipamentos), existem 56 hastes de aço cobreado de 6000 mm x 19

mm, 02 hastes de aço cobreado de 9000 mm x 19 mm e 19 hastes de aço cobreado

de 3000 mm x 19 mm. A subestação é alimentada por um vão de 10m derivando de

uma linha de transmissão de 138 kV, com 02 cabos pára-raios não ligados ao pórtico

da mesma, à época das medições.

Figura 5.7 – Planta da malha de aterramento caso 4

O processamento em computador forneceu para a malha com condutores

superficiais e hastes verticais, uma resistência de aterramento de 4,05 Ω.

Na Tabela 5.4 e no gráfico da Figura 5.8 mostram-se os valores obtidos

(com e sem compensação reativa) pelo deslocamento do eletrodo de potencial, a

partir de um eletrodo de corrente instalado a 150 m do pára-raios de entrada de linha

(ponto de injeção da corrente de teste). Observa-se a tendência da curva com

valores compensados em estabilizar no patamar próximo de 3,6 Ω.

Tabela 5.4 – Medição de campo caso 4

Resistência da malha terra

0 1 2 3 4 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70

Ep(m)

R (Ω)

sem correção

com correção

calculado

Figura 5.8 – Gráfico medição de campo caso 4

5.1.5. CASO 5 – Malha de subestação 34,5 kV, com área de 500 m

sem cabo pára-raios conectado

Testou-se o protótipo com a freqüência de 25 kHz, na malha de uma

subestação 34,5 / 13,8 kV, 5,0 MVA, em solo com resistividade da camada

equivalente 350 Ω.m, espessura da camada equivalente 12,0 m, resistividade da

camada inferior 20 Ω.m, o que implica num coeficiente de reflexão k = - 0,90.

Pelo memorial construtivo, a malha de aterramento da subestação é

composta de 255 m de cabo de cobre nu de secção 35 mm

e 250 m de cabo de

cobre nu de secção 50 mm

dispostos numa área de 461 m

(área energizada), com

quadrículas de 3m x 3m (dimensões da malha triangular de 27,5 m x 33,5 m).

Complementando a malha em pontos críticos (vértices e equipamentos), existem 19

hastes de aço cobreado de 2400 mm x 19 mm. A subestação é alimentada por um

vão de 50m derivando de uma linha de transmissão de 34,5 kV, sem cabo pára-raios

ligado ao pórtico da mesma.

Figura 5.9 – Planta da malha de aterramento caso 5

O processamento em computador forneceu para a malha com condutores

superficiais e hastes verticais, uma resistência de aterramento de 3,48 Ω em solo

normal seco e 3,00 Ω em solo úmido.

Nas Tabelas 5.5 e nos gráficos das Figuras 5.10 mostram-se os valores

obtidos (com e sem compensação reativa) pelo deslocamento do eletrodo de

potencial, a partir de um eletrodo de corrente instalado a 135 m do neutro de baixa

tensão do transformador de potência (ponto de injeção da corrente de teste).

Observa-se a tendência da curva com valores compensados em estabilizar no

patamar próximo de 4,5 Ω ( curva para solo normal seco) e 3,7 Ω ( curva para solo

úmido).

Efetuou-se, paralelamente à medição em alta freqüência, a medição da

tensão para um ponto remoto da subestação, aproveitando-se a alta corrente de

neutro injetada pelo transformador de potência na malha. Obteve-se a tensão

remota de 110,0 V para uma corrente de neutro de 28,8 A (solo normal seco)

resultando numa resistência prevista para a malha de terra de 3,82 Ω; para solo

úmido obteve-se a tensão remota de 111,6 V para uma corrente de neutro de 30,4 A

resultando numa resistência prevista para a malha de terra de 3,67 Ω, perfeitamente

condizentes, assim, com os valores medidos, tanto em solo normal como em solo

úmido.

Tabela 5.5 – Medição de campo solo normal seco caso 5

Tabela 5.6 – Medição de campo solo normal úmido caso 5

Resistência da malha terra

solo normal seco

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

-4 -2 0 2 3 4 7 9 11 13 17 31

Ep(m)

R (Ω)

sem correção

com correção

calculado

Figura 5.10 – Gráfico medição de campo solo normal seco caso 5

Resistência da malha terra

solo úmido

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

-4 -2 0 2 3 4 7 9 11 13 17 31

Ep(m)

R (Ω)

sem correção

com correção

calculado

Figura 5.11 – Gráfico medição de campo solo normal úmido caso 5

5.1.6. CASO 6 – Malha de subestação 138 kV, com área de 15400 m

e com cabo pára-raios da linha de transmissão ligado á malha

através de condutor enterrado entre malha e primeira torre

Testou-se o protótipo com a freqüência de 25 kHz, na malha de uma

subestação 138 / 13,8 kV, 10 / 12,5 MVA, em solo com resistividade da camada

equivalente 100 Ω.m, praticamente homogêneo (coeficiente de reflexão k = - 0,01).

Pelo memorial construtivo, a malha de aterramento da subestação é

composta de 1000 m de cabo de cobre nu de secção 70 mm

referente à malha da

Subestação e 960 m de cabo de cobre nu de seção 50 mm

,dispostos numa área

de 15400 m

(área energizada), com quadrículas grandes de 10m x 14m (dimensões

da malha paralelogramo de 140 m x 110 m). Complementando a malha em pontos

críticos (vértices e equipamentos), existem 43 hastes de aço cobreado de 3000 mm

x 16 mm. A subestação é alimentada por um vão de 30 m derivando de uma linha de

transmissão de 138 kV, com cabo pára-raios ligado ao pórtico da mesma e encontra-

se interligada a uma usina térmica.

Figura 5.12 – Planta da malha de aterramento caso 6

O processamento em computador forneceu para a malha com condutores

superficiais e hastes verticais, uma resistência de aterramento de 0,42 Ω em solo

extremamente úmido.

Na Tabela 5.7 e no gráfico da Figura 5.13 mostram-se os valores obtidos

(com e sem compensação reativa) pelo deslocamento do eletrodo de potencial, a

partir de um eletrodo de corrente instalado a 250 m do pórtico de entrada da linha

próximo da periferia da malha (ponto de injeção da corrente de teste). Observa-se a

tendência da curva com valores compensados em estabilizar no patamar próximo de

0,46 Ω.

Tabela 5.7 – Medição de campo caso 6

Resistência da malha terra

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

-1

100

120

140

160

180

200

Ep(m)

R (Ω)

sem correção

com correção

calculado

Figura 5.13 – Gráfico medição de campo caso 6

5.1.7. CASO 7 – Malha de subestação 138 kV, com área de 15000 m

e com cabo pára-raios conectado

Testou-se o protótipo com a freqüência de 25 kHz, na malha de uma

subestação 138 / 13,8 kV, em solo com resistividade da camada equivalente 341

Ω.m, espessura da camada equivalente 15,85 m, resistividade da camada inferior

1130 Ω.m, o que implica num coeficiente de reflexão k = + 0,54.

Pelo memorial construtivo, a malha de aterramento da subestação é

composta de 6490 m de cabo de cobre nu de secção 70 mm

dispostos numa área

de 15000 m

(área energizada), com quadrículas de 4,5m x 4,5m (dimensões da

malha retangular de 150 m x 100 m). Complementando a malha em pontos críticos

(vértices e equipamentos), existem 44 hastes de aço cobreado de 3000 mm x 16 mm

e 36 poços com hastes de 12000 mm x 16 mm. A subestação é alimentada por um

vão de 50 m derivando de uma linha de transmissão de 138 kV, com cabo pára-raios

ligado ao pórtico da mesma.

Figura 5.14 – Planta da malha de aterramento caso 7

O processamento em computador forneceu para a malha com condutores

superficiais e hastes verticais, uma resistência de aterramento de 2,63 Ω em solo

úmido.

Na Tabela 5.8 e no gráfico da Figura 5.15 mostram-se os valores obtidos

(com e sem compensação reativa) pelo deslocamento do eletrodo de potencial, a

partir de um eletrodo de corrente instalado a 200 m do pórtico de entrada de linha

próximo da periferia da malha (ponto de injeção da corrente de teste). Observa-se a

tendência da curva com valores compensados em estabilizar no patamar próximo de

2,60 Ω.

Tabela 5.8 – Medição de campo caso 7

Resistência da malha

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

-2

130

Ep(m)

R (Ω)

sem correção

com correção

calculado

Figura 5.15 – Gráfico medição de campo caso 7

5.2. Metodologia DDPprox

A metodologia aqui definida como DDPprox, baseia-se nas medições de

diferença de potenciais entre pontos próximos às extremidades das malhas de terra,

de forma a se conhecer a resistência específica da malha e/ou a impedância do

sistema formado pela malha e suas interconexões.

Os resultados variam de acordo com a existência ou não de outros sistemas

de aterramento interconectados ao aterramento sob medição.

Para malhas conectadas a outros sistemas de aterramento, via, por

exemplo, cabo(s) pára-raios de linhas de transmissão:

• o valor mínimo da curva sem compensação (obtido nas proximidades da

periferia da malha) tende ao valor da resistência da malha.

• o valor mínimo da curva com compensação (obtido nas proximidades da

periferia da malha) tende ao valor da impedância do sistema.

Pela metodologia DDPprox basta então medir-se o valor da diferença de

potencial entre malha e um ponto a 1m de sua periferia, referenciar-se à corrente de

medição, para obter-se :

• a resistência específica da malha de terra (valor sem compensação);

• a impedância do sistema (valor com compensação).

Para malhas desacopladas (isoladas) de outros sistemas de aterramento, na

freqüência de 25 kHz, os valores sem compensação, das diferenças de potenciais

em relação à malha, e conseqüentemente os valores de resistência de aterramento,

para pontos externos, porém próximos da periferia da malha, aproximam-se dos

valores obtidos no patamar da curva com compensação, caso fosse efetuado o

levantamento pelo método convencional reduzido.

Dessa forma, na metodologia DDPprox não há necessidade do

levantamento completo da curva de variação da resistência em função do

posicionamento do eletrodo de potencial até a obtenção do patamar característico

da inexistência de influência da malha (resistência de aterramento constante).

Basta efetuarem-se algumas medições próximas à periferia da malha,

notadamente em uma de suas quinas, caso haja simetria na mesma, por

apresentarem essas regiões, as maiores concentrações de potenciais.

A seguir, apresenta-se uma análise dos mesmos casos apresentados na

metodologia convencional reduzida (item 5.1.), sob a ótica agora, da metodologia

DDPprox, para malhas com e sem sistemas externos acoplados à malha em estudo.

5.2.1. CASO 1 – Malha de subestação 138 kV, com área de 2500 m

e com cabo pára-raios conectado

O valor mínimo da curva sem compensação (obtido nas proximidades da

malha) tende ao valor da resistência da malha. Na malha do Caso 1 observa-se o

valor 5,6 Ω, bastante próximo do valor esperado para a resistência da malha que é

de 5,4 Ω (diferença de + 3,7%).

O valor mínimo da curva compensada tende ao valor da impedância do

sistema. Na malha do Caso 1 obteve-se o valor 1,75 Ω.

Para comprovar-se a expectativa, efetuou-se a medição da tensão para um

ponto remoto (eletrodo situado a 400 m da subestação), obtendo-se 0,30 V para

uma corrente de neutro injetada na malha de 0,17 A. A relação entre esses valores

fornece 1,76 Ω, muito próximo, assim, do valor 1,75 Ω.

Pela metodologia DDPprox bastaria então medir-se o valor da ddp entre

malha e um ponto a 1m de sua periferia, referenciar-se à corrente de medição, para

obter-se :

• a resistência específica da malha de terra, pela curva sem compensação;

• a impedância do sistema, pela curva com compensação.

5.2.2. CASO 2 – Malha de subestação 34,5 kV, com área de 2900 m

e sem cabo pára-raios conectado

Os valores de resistência de aterramento obtidos da curva sem

compensação, para pontos externos, porém próximos da periferia da malha (1m a 4

m conforme Tabela 5.2), aproximam-se dos valores obtidos no patamar da curva

com compensação, oscilando entre -4% e +4,7%.

Sem importância direta na determinação do valor da resistência, mas como

informação interessante em situações que não se conhece a geometria da malha

sob medição, os valores sem compensação medidos dentro da malha giraram entre

60% e 75% do valor do patamar com compensação. Esses percentuais alterarão de

malha para malha, função ainda do tipo de solo e de suas condições (seco, úmido,

muito úmido).

5.2.3. CASO 3 – Malha de subestação 138 kV, com área de 4220 m

e com cabo pára-raios conectado à estrutura metálica de

entrada e não diretamente à malha de terra

Neste caso específico, pelo fato de os cabos pára-raios encontrarem-se

ligados no topo da estrutura metálica do pórtico de entrada e não diretamente à

malha de terra, para efeitos da freqüência de 25 kHz é como se a malha não

estivesse acoplada a nenhum sistema, o que modifica o comportamento das curvas

(compensada e não compensada), tornando-o semelhante ao de malha

desacoplada.

Os valores de resistência de aterramento obtidos da curva sem

compensação, para pontos externos, porém próximos da periferia da malha (1m a 5

m conforme Tabela 5.3), aproximam-se dos valores obtidos no patamar da curva

com compensação, oscilando entre -16,7% e +10,0%, explicando-se o maior

percentual pela incerteza no posicionamento do condutor periférico.

5.2.4. CASO 4 – Malha de subestação 138 kV, com área de 1600 m

e sem cabo pára-raios conectado

Os valores de resistência de aterramento obtidos da curva sem

compensação, para pontos externos, porém próximos da periferia da malha (1m a 5

m conforme Tabela 5.4), aproximam-se dos valores obtidos no patamar da curva

com compensação, oscilando entre -22,2% e -2,8%, explicando-se o maior

percentual pela incerteza no posicionamento do condutor periférico.

5.2.5. CASO 5 – Malha de subestação 34,5 kV, com área de 500 m

sem cabo pára-raios conectado

Os valores de resistência de aterramento obtidos da curva sem

compensação, para pontos externos, porém próximos da periferia da malha (1m e 2

m conforme Tabela 5.5), aproximam-se dos valores obtidos no patamar da curva

com compensação, oscilando entre +1,7% e +18,3%, explicando-se o maior valor

pela heterogeneidade na umidificação provocada na área da malha durante as

medições, para se verificar a diferença de comportamento dos valores em solo seco

e solo úmido.

5.2.6. CASO 6 – Malha de subestação 138 kV, com área de 15400 m

e com cabo pára-raios da linha de transmissão ligado á malha

através de condutor enterrado entre malha e primeira torre

O valor mínimo da curva sem compensação (obtido nas proximidades da

malha), neste caso específico, sofre a ação do condutor de interligação malha –

primeira torre, o qual eleva os potenciais nas proximidades da periferia da malha,

somando-se aos potenciais gerados pela própria malha, não fornecendo, por

conseqüência a tendência do valor da resistência da malha.

O valor mínimo da curva compensada obtido dentro e nas proximidades da

periferia da malha, neste caso específico, também sofre a ação do condutor de

interligação malha – primeira torre, o qual eleva os potenciais nas proximidades da

periferia da malha, somando-se aos potenciais gerados pela própria malha, não

fornecendo, por conseqüência a tendência do valor da impedância do sistema.

Não foi possível comprovar-se o valor da impedância do sistema, com a

injeção de alta corrente, dada a impossibilidade de desconectar-se a linha de

transmissão do sistema subestação / usina térmica acoplada.

Particularmente, neste caso, por se tratar de solo extremamente úmido em

todo o contorno da malha e se estendendo pela região, obteve-se um patamar muito

longo (1 a 20 m) com o valor da resistência da malha, até as proximidades da

primeira torre.

5.2.7. CASO 7 – Malha de subestação 138 kV, com área de 15000 m

e com cabo pára-raios conectado

O valor mínimo da curva sem compensação (obtido nas proximidades da

malha) tende ao valor da resistência da malha. Na malha do Caso 7 observa-se o

valor 2,72 Ω, bastante próximo do valor esperado para a resistência da malha que é

de 2,63 Ω (diferença de +3,42%).

O valor mínimo da curva compensada tende ao valor da impedância do

sistema. Na malha do Caso 7 obteve-se valores entre 2,25 Ω e 2,35 Ω.

Assim como no Caso 1, conclui-se que, pela metodologia DDPprox bastaria

então medir-se o valor da ddp entre malha e um ponto a 1m de sua periferia,

referenciar-se à corrente de medição, para obter-se :

• a resistência específica da malha de terra, pela curva sem compensação;

• a impedância do sistema, pela curva com compensação.

6. ANALISE DOS RESULTADOS DO ESTUDO

6.1. Da metodologia adotada

Os objetivos propostos neste estudo, com relação à utilização da

metodologia, foram alcançados, tais como:

• Efetuaram-se pesquisas de tecnologias existentes e em publicações

científicas oficiais (periódicos, anais de seminários e outros), de

equipamentos disponíveis nos níveis nacional e internacional que

viessem a fornecer a medição desejada.

• Novos conceitos como a metodologia de diferença de potencial em

pontos próximos ao sistema de aterramento – DDPprox, foram

introduzidos no âmbito de análise de performance de malha de terra.

• Com a nova técnica, se normalizada, será possível reduzir os custos de

avaliação das malhas de terra em instalações de potência, seja pela

praticidade do método (redução dos homens hora de medição) como e

principalmente por não ser necessário efetuar os desligamentos das

instalações para efetuá-la (eliminação das perdas de faturamento por

falta de fornecimento e cumprimento da legislação).

6.2. Dos resultados esperados

• Aplicabilidade em campo: foram efetuados testes em subestações com

os mais variados tipos de arranjos, desde os mais simples e de tensões

variadas com submalhas interligadas e a grandes distâncias. Apesar de

não previstos, os resultados podem ser considerados satisfatórios,

mesmo levando em conta o sério problema relativo ao acoplamento dos

circuitos de medição com as instalações.

• Parâmetro de medição (distâncias de medição): verificou-se que com

a aplicação do método, as distâncias dos eletrodos de corrente e

potencial, chegaram a “1,25 vezes” a maior dimensão da malha de

aterramento, contra até “4 vezes” da método em vigor; isso fez e fará

com que boa parte das medições que venham a ser executadas no

futuro, sejam praticamente dentro da área das subestações, evitando que

se extrapole os eventuais “perigos” desse tipo de medição às instalações

e pessoas vizinhas.

• Parâmetro de medição (resistência): observou-se que é possível o

desacoplamento das linhas de transmissão / distribuição presentes nas

subestações analisadas, de forma a se obter a resistência específica da

malha de terra em paralelo com parcelas diminutas relativas às

contribuições das partes resistivas puras das linhas bem como dos

circuitos de medição (patamar da curva “resistência x distância eletrodo

de potencial” com correção de reativos).

• Parâmetro de medição (impedância): com o desacoplamento obtido do

efeito das linhas de transmissão / distribuição presentes nas subestações

analisadas, detectou-se em campo, que as medições feitas nas

proximidades da malha, sem a correção dos reativos, leva a um valor

muito próximo da resistência da malha (adicionadas as pequenas

resistências dos eletrodos de medição); agora, com a correção dos

reativos presentes, levam a um valor de impedância fortemente

dependente dos comprimentos dos circuitos auxiliares de medição. A

técnica de estimação de estado para a impedância, desenvolvida em [2] e

[3], poderá confirmar a tendência da curva com a correção de reativos.

• Resistência dos eletrodos de corrente e potencial: as áreas

pesquisadas tiveram como resistividade característica de solo, valores

elevados, o que faz com que eletrodos enterrados nesse tipo de solo,

apresentem elevadas resistências de aterramento; equipamentos como o

protótipo, que efetuam medições utilizando-se de retorno pelo solo, sofrem

com o problema da sensibilidade de suas medições ao valor destas

resistências dos eletrodos auxiliares; uma preocupação constante durante

o período de ensaios em campo com o protótipo, foi torná-lo menos

sensível a esses altos valores de resistência, seja pelo aumento de

eletrodos formando pequenas malhas, ou mesmo, reduzindo as

resistividades locais com a adição de água, procurando sempre que

possível manter a relação 100:1; como proposta para os próximos

desenvolvimentos, sugere-se um estudo para ampliação dessa relação,

tendo sempre em mente o custo x benefício dessas alterações.

• Acoplamento dos circuitos de medição: os experimentos de campo

mostraram razoável influência do acoplamento entre os circuitos de

corrente e potencial, sobre o valor final medido; cuidados à parte, tomados

em função de cada medição específica, o resultado foi satisfatório para o

escopo deste trabalho, levando em conta a diversidade de situações; não

se considera, no entanto, que esse assunto esteja definido, muito pelo

contrário, entende-se ser essa, uma área de pesquisa futura, em que se

poderá abordar os mais variados tipos de cabos a serem utilizados, as

distâncias de separação e seu caminhamento durante o ensaio, função da

freqüência de medição (diferente das freqüências utilizadas), da

resistividade do solo e do arranjo e dimensões do sistema.

• Estimativa no domínio da freqüência: das 03 freqüências utilizadas no

protótipo, a de 25 kHz mostrou-se extremamente útil, permitindo a

avaliação de todas as malhas em que se atuou; o mesmo não se pode

dizer dos geradores de mais baixa freqüência utilizados (270 Hz e 1,47

kHz), os quais não apresentaram repetibilidade nos ambientes ruidosos

testados, o que impediu de ser feito o estudo da resposta no domínio da

freqüência, como se planejava, a partir dessas 03 freqüências; as

alterações feitas nesse sentido, no protótipo final, vieram a melhorar os

resultados de imunidade, porém carecem de maiores testes em campo.

• Gerador de corrente: um questionamento que pode ser feito ao

desenvolvimento neste estudo refere-se à dúvida sobre a legitimidade

dessa freqüência e dos valores que ela tenha propiciado, para a “saúde”

da malha em análise; em função disso, se abre para um novo estudo, a

possibilidade de se construir um gerador randômico, com alternativas de

análises de freqüências da ordem de 50 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz e

1MHz, atendendo às solicitações de transitórios de chaveamentos de

equipamentos, bem como de surtos de origem atmosférica.

6.3. Do aplicativo de análise do solo

Os casos de solos analisados no aplicativo Estrat.D.01, utilizado neste

estudo, mostraram um bom comportamento em relação à técnica manual de análise

das curvas, assim como comparativamente às respostas de softwares reconhecidos

no mercado.

Instabilidades nas análises de curvas apresentando trechos de inversões

íngremes (ascendentes e/ou descendentes) apesar de também serem detectadas

(com maior ou menor freqüência) em softwares de uso no mercado, faz com que se

proceda a uma depuração do tratamento das medições no aplicativo Estrat.

6.4. Do aplicativo de análise e medição do aterramento

Para as medições efetuadas em campo o aplicativo mostrou-se correto, não

apresentando nenhuma falha de importação, sequer incompatibilidade com as

leituras importadas.

Com relação à simulação dos aterramentos, o ATERRAD.04 tem como

suporte o aplicativo ATERRA, utilizado desde a década de 80 por várias

concessionárias de energia em seus aterramentos de sistemas de distribuição e

malhas de subestações, confeccionado com base nos parâmetros de cálculo

permissíveis adotados pelo IEEE-80 e normas IEC. [24]

O ATERRA é composto de algoritmos que se utilizam de métodos numéricos

para o calculo de aterramentos, envolvendo configurações elementares como hastes

verticais, condutores horizontais, condutores em anel e associações destas, de

forma a se conhecer e permitir alterar valores de resistência de aterramento e

potenciais na superfície do solo. A idéia básica de formulação do ATERRA é

exprimir-se cada configuração elementar através das suas coordenadas, num

sistema de eixos x, y e z. Com a configuração ou associação delas, presa aos eixos

de referência, parte-se para uma subdivisão de cada configuração elementar em

pequenos elementos, de tal modo que a corrente seja considerada constante em

toda a sua superfície. As análises e os resultados do ATERRA são confinados ao

caso de eletrodo enterrado na camada superior (equivalente) de um solo

estratificado em duas camadas. A estratificação do solo é levada em conta através

do método das sucessivas imagens. [24]

As adaptações realizadas no ATERRA para este estudo tornaram-no uma

ferramenta valiosa na análise dos potenciais de passo, toque e transferência,

permitindo uma comparação com os valores medidos em campo e uma rápida

formulação de alternativa para melhoria das condições de segurança do sistema de

terra ensaiado.

7. CONCLUSÃO

É de suma importância o tratamento dos dados coletados, o que influencia

diretamente nos resultados. No protótipo utiliza-se a modelagem de solo em duas

camadas, que tem se mostrado eficiente para as características das malhas testadas

(pequenas a médias dimensões), tal como observado por, com erros inferiores a 3%.

[25].

Para casos de mais alta freqüência, como a ocorrência de uma descarga

atmosférica (1 MHz) ou o chaveamento transitório de um equipamento (200 kHz a

500 kHz), somente os métodos de tensão variável ao longo dos condutores e/ou da

teoria de campos, sem considerar o conceito de estrutura eqüipotencial poderiam ser

utilizados, residindo aqui, uma limitação do protótipo.

De modo a prever o acoplamento entre condutores da malha e elementos

extras em suas proximidades, o método de modelagem do software de cálculo de

parâmetros do aterramento através da teoria das imagens, utilizado no protótipo, não

é aconselhável, pois não se aplica o conceito de eqüipotencialidade do elemento

extra. Essa conclusão atinge basicamente a função de transferência de potenciais

do protótipo, caso em que os resultados devam merecer uma melhor análise.

O método de estimação da impedância pelo tratamento das medidas de

diferenças de potenciais entre pontos próximos da malha, em substituição à medição

direta da queda de potencial em relação ao ponto remoto, apresenta um conceito

que necessita de mais ampla confirmação em campo. Primeiramente, porque no

protótipo, a estimação é feita, numa fase inicial de experimentos, com fontes

discretas. Os resultados desses experimentos indicarão a necessidade ou não da

utilização de uma fonte geradora de sinais randômicos aleatórios. Numa ou noutra

situação, fica nítido que, se aprovado, o método será de grande utilidade na busca

por uma avaliação rápida e segura de malhas de aterramento energizadas.

A definição sobre o posicionamento ideal dos eletrodos de corrente e de

potencial, bem como das características finais do hardware destes,

independentemente do tipo do solo, requer uma quantidade maior de ensaios, em

tipos variados de configurações de malha e sistema; nota-se, no entanto, uma

tendência de convergência de posicionamento para distâncias da ordem de 1,25

vezes a maior dimensão da malha, o que se traduz num ganho imediato se

comparado com as dificuldades de medição convencional. O teste da metodologia

convencional reduzida do item 5.1 mostra essa tendência.

Ainda para a metodologia convencional reduzida, os casos analisados

mostraram um bom comportamento entre os valores esperados para a resistência de

aterramento das malhas e os respectivos valores medidos.

Em relação à metodologia DDPprox, os casos analisados, na condição de

malhas com cabos pára-raios e/ou cabos de aterramento de outros sistemas

interconectados, atestam (com erros da ordem de 3,5 %) que por essa metodologia

bastaria medir-se o valor da diferença de potencial entre malha e um ponto a 1m de

sua periferia, referenciar-se à corrente de medição, para obter-se a resistência

específica da malha de terra (valor sem compensação) e a impedância do sistema

(valor com compensação).

Para malhas desacopladas (isoladas) de outros sistemas de aterramento, os

casos analisados na freqüência de 25 kHz, atestaram a tendência de os valores sem

compensação, das resistências de aterramento, para pontos externos, porém

próximos da periferia da malha, aproximar-se dos valores obtidos no patamar da

curva com compensação (valor esperado da resistência específica da malha).

Dessa forma, quando não se dispõe das condições ideais para o

levantamento completo da curva de variação da resistência em função do

posicionamento do eletrodo de potencial, a utilização da metodologia DDPprox pode

transformar-se em útil ferramenta operacional na avaliação rápida das condições da

malha. A precisão da metodologia nessa condição depende muito do grau de

conhecimento da geometria da malha e das condições de solo na periferia da

mesma, notadamente grau de umidade e relevo, dada a característica de

penetração superficial das correntes de 25 kHz.

Este estudo proporcionou um campo para futuros desenvolvimentos nesta

área de aplicação; como por exemplo, uma melhor análise deve ser feita com os

valores não compensados.

Novas idéias surgiram e deverão surgir, desde o tipo de detecção de sinal

(analógico ou digital), até o tipo de fonte de corrente a ser utilizada (freqüências,

intensidade da corrente aplicada, nível de imunidade aos ruídos, entre outros).

8. REFERÊNCIAS

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sua execução. Eletricidade Moderna, São Paulo, v.34, n. 383, p. 56-69,

2006.

2. MELIOPOULOS, A.S., et al, A PC based ground impedance measurement

instrument, IEEE trans. on Power Delivery, v. 8, n. 3, 1993.

3. MELIOPOULOS, A.S., et al, A new method and Instrument for touch and step

voltage measurements, IEEE trans. on Power Delivery, v. 9, n. 4, 1994.

4. GAMBOA, L.R.A.; SILVA, J.M.; RIBAS, C.E. et al. Medição da resistência de

malhas de terra energizadas, em SES 34,5/13,8 kV e obtenção da

resistividade de solos de SES, em laboratório. In: SEMINÁRIO NACIONAL

DE PROTEÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, 18, 2005,

Curitiba. Anais, GSE-04.

5. GALVANI, L.V.; MAGUERROSKI D.; BESEN C. et al. Avaliação de malhas de

terra em subestações energizadas através de medições seletivas em

freqüência diferente de 60 Hz. In: SEMINÁRIO NACIONAL DE PROTEÇÃO E

TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, 18, 2005, Curitiba. Anais, GSE-

06.

6. SOTILLE, C.A.; BELTANI, J.M.; NONATO, G.A.C. et al. Protótipo de medição

de malha de terra em subestações energizadas, Programa anual de Pesquisa

e Desenvolvimento Ciclo 2003/2005, Empresa Energética de Mato Grosso do

Sul S.A. e Fundação Paulista de Tecnologia e Educação, Campo Grande,

2005.

7. MORENO, H.; COSTA, P.F. Aterramento elétrico. São Paulo: Procobre,

1999. 39 p.

8. LEITE, C.M.; PEREIRA FILHO, M.L. Técnicas de aterramentos elétricos:

cálculos, projetos e softwares para aterramentos elétricos. 2.ed. São Paulo:

Officina de Mydia, 1996. 215 p.

9. VISACRO FILHO, S. Aterramentos elétricos: conceitos básicos, técnicas de

medição e instrumentação, filosofias de aterramento. São Paulo: Artliber,

2002. 159 p.

10. MAMEDE FILHO, J. Sistemas de aterramento. In: __, Instalações elétricas

industriais. 6.ed. Rio de Janeiro: LTC. 2001. p. 497-533.

11. COTRIM, A.A.M.B. Proteção contra choques elétricos. In: __. Instalações

elétricas. 3.ed. São Paulo: Makron Books, 1992. p. 130-202.

12. MAMEDE FILHO, J. Proteção de equipamentos eletrônicos sensíveis:

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13. TAGG, G. F. Meansurement of earth-electrode resistance with particular

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14. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. NBR 6533 -

Estabelecimento de Segurança aos Efeitos da Corrente Elétrica Percorrendo

Corpo Humano - especificação. Rio de Janeiro: ABNT, 1981.

15. IEC 60479-1 Effects of current passing through the human body –

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16. DALZIEL, C.S. Electric Shock Hazard, IEEE – Spectrum, p. 41– 50,

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20. CARSON, J.R. Wave Propagation in Overhed Wires whith Ground Return,

Bell Syst. J., Vol.5 pp. 539-554. 1926.

21. PRESS, W.H. et al. Numerical recipes in C. 2.ed. Cambridge Univ. Press,

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22. DAWALIBI, F.P.; BLATTNER, C.J. Earth resistivity meansurement

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Acesso em: 9 fev 2007.

24. SOTILLE, C.A. Linha de distribuição econômica para área rural: sistema

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Tese (Mestrado em Engenharia) – Universidade Federal do Rio de Janeiro,

Rio de Janeiro,1983.

25. DAWALIBI, F.P.; MA, J. Modern computational methods for the design and

analysis of power system grounding. IEEE Transactions On PAS, New York,

p. 122-126, 1998.

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