SPDA_AterramentosFrenteSurtos

Antonio Csar Baleeiro Alves

[email protected]; [email protected]

www.emc.ufg.br/~baleeiro

Escola de Engenharia Eltrica, Mecnica e de Computao

Universidade Federal de Gois

Comportamento de aterramentos

frente a surtos

2013

Formas de incidncia de uma descarga atmosfrica

contrapeso

Incidncia direta

Incidncia indireta

Pelo efeito eletromagntico gerado pela descarga surge uma

tenso induzida no sistema. A descarga indireta muito mais

frequente em sistemas de distribuio que a direta.

Efeitos da descarga atmosfrica

Corrente de retorno

Fonte: Sakis Meliopolos,2010.

contrapeso

0,5 a 10s 100s

50%

1 a 3ms

valor de crista (mediana de 12 a 45kA)

O sinal da descarga de alta intensidade e possui

componentes de frequncia que alcanam a faixa de

megahertz.

tempo



Surto

contrapeso

tempo

Surto atmosfrico

Onda CA de 60Hz do sistema de alimentao

A descarga atmosfrica a principal causa de surtos.



Surto

Outra importante causa de surtos a operao de cargas indutivas. A energia

magntica armazenada em uma bobina/enrolamento, a qual tende a manter o

fluxo de corrente quando um interruptor tenta abrir o circuito.

contrapeso

tempo

Surto de chaveamento

Onda CA de 60Hz do sistema de alimentao


Aterramento e descarga atmosfrica

I (i)

(ii)

(iii)

Solo

, ,

(i) Condutor de aterramento;

(ii) Eletrodos enterrados no solo;

(iii) Terra que envolve os eletrodos.



eletrodo

IG + jIC

IR jIL

A corrente injetada no eletrodo tem 2 componentes:

(i) Corrente transversal IG + jIC (dispersada diretamente no solo);

(ii) Corrente longitudinal IR jIL (parcialmente transferida para o comprimento

restante do eletrodo).

Fonte: Silvrio Visacro, tutorial para XVII CBA,

2008.


eletrodo

IG + jIC

IR jIL

IG + jIC

IR jIL

Circuito equivalente para representao do elemento.


A componente longitudinal responsvel por perdas internas no condutor e pelo

campo magntico estabelecido na regio em volta dos caminhos da corrente. No

circuito equivalente, as energias correspondentes a estes efeitos so

representadas pela resistncia R e pela indutncia L.

O campo eltrico no solo, que um meio de resistividade e permissividade ,

determina o fluxo de corrente condutiva e capacitiva, IG e IC, respectivamente. A

relao entre essas correntes, IG / IC, depende da relao / .

Para considerar a configurao completa, com os demais eletrodos do sistema de

aterramento, os acoplamentos eletromagnticos correspondentes aos efeitos

mtuos entre todos os elementos do sistema de aterramento.

Impedncia impulsiva de aterramento

Apesar da corrente e da tenso impulsivas no coincidirem no tempo, para ondas

impulsivas como o caso daquelas associadas s descargas atmosfricas, define-

se a relao entre os valores de pico da onda de tenso e da onda de corrente

como a impedncia impulsiva.

ZP = VP / IP (1)

Fonte: Silvrio Visacro, tutorial para XVII CBA,

2008.

Estado da arte de aterramentos impulsivos.


contrapeso

Consideraes sobre o modelo do aterramento

Para uma mesma configurao de aterramento, dependendo do fenmeno sob

anlise, descargas atmosfricas, curtos-circuitos, operaes de manobra em

circuitos desbalanceados, representaes muito diferentes em termos de circuito

equivalente podem ser adotadas.

Para baixas frequncias, tpicas de fenmenos lentos, como, por exemplo, curtos-

circuitos, a impedncia longitudinal (R+jL) e tambm a corrente capacitiva (IC)

podem ser desprezadas, restando apenas a condutncia G (ou resistncia

equivalente) no modelo.


Haste cilndrica vertical

Modelo de circuito equivalente para uma haste vertical:

Os parmetros do circuito equivalente, R, L e C, so dados a seguir.

reatncia aumenta com o

aumento da frequncia.

reatncia diminui com o

aumento da frequncia.


contrapeso



dl

lGR 4

21 ln

dllL 4

2ln0

dllC

4ln2

(2)

(3)

(4)

LCnf

2

1

dl

sZ4

21 ln0

(5)

(6)

Resistncia versus impedncia de surto


Comprimento Dimetro Permissividade Permeabilidade R () Zs ()

6m 5cm 8,851012 F/m 4107 H/m

1.650 375

Nota-se que o valor de R bem maior que a impedncia de surto, Zs. A

resistncia R corresponde ao valor da resistncia do aterramento

constitudo por uma haste frequncia industrial.

Considerando um solo de = 10.000 m:

Fonte:

DIAS, G. A. D., RAIZER, A., ALMAGUER, H. D., MUSTAFA, T.I., COELHO, V.,

Aterramento eltrico impulsivo, em baixa e alta frequncias. Organizador: Marcos Tell. Porto Alegre: EdiPUCRS, 2007.


contrapeso

Modelo do aterramento e os fenmenos

Para frequncias superiores a alguns kilohertz, o efeito indutivo torna-se relevante.

A partir de algumas dezenas de kilohertz, o efeito capacitivo torna-se significativo

e, prximo faixa dos megahertz, este ltimo efeito comea a predominar sobre

os demais.

Assim, para ocorrncias rpidas, como, por exemplo, descargas atmosfricas, o

circuito equivalente pode assumir configuraes complexas. Dessa forma, prticas

de aterramento que so consistentes para determinadas condies, podem no ter

sentido em outras condies.

Fonte: Silvrio Visacro, Sistemas de aterramentos eltricos.

Texto adaptado para o curso Sistemas de Puestas a Tierra.


contrapeso

Consideraes de ordem prtica

1. A referncia ao aterramento como uma resistncia s pode ser efetuada em

condies bem especficas.

2. Na prtica da engenharia, a medio precisa da impedncia de aterramento s

possvel na faixa de baixa frequncia e, nesse caso, a impedncia se aproxima

da resistncia de aterramento.

3. Para sistemas de aterramento de dimenses elevadas, um baixo valor de

resistncia pode corresponder a um valor de impedncia consideravelmente

superior.

4. O principal fator que influencia na diminuio do valor da impedncia de

aterramento a extenso da rea coberta pelos eletrodos do sistema de

aterramento. No entanto, isto pode no ser efetivo para fenmenos rpidos

devido atenuao do campo eletromagntico ao longo da extenso dos

eletrodos (conceito de comprimento efetivo do aterramento).


contrapeso


5. Na situao de um solo estratificado, cuja segunda camada tenha valor de

resistividade bem inferior quele da camada superficial, o emprego de hastes

para se atingir a segunda camada pode apresentar uma influncia significativa.

6. A recomendao de valor muito reduzido de impedncia de aterramento, ou

resistncia, usualmente exigida na maioria das aplicaes, no tem sentido em

muitas condies (exemplo, 5 para TI impossvel de obter em condies

prticas).

7. O que realmente importa nas aplicaes no o valor da resistncia de

aterramento, mas a diferena de potencial a que pessoas e equipamentos ficam

submetidos durante a ocorrncia.

Fonte: Silvrio Visacro, Sistemas de aterramentos eltricos.

Texto adaptado para o curso Sistemas de Puestas a Tierra.


contrapeso


8. A forma mais eficiente para minimizar o risco consiste em estabelecer distribuio

de potenciais na superfcie do solo considerando as condies de segurana

(gradientes de potencial).

9. Os gradientes de potencial no solo podem ser reduzidos aumentando-se a

densidade de eletrodos na malha.

10. No caso de descargas atmosfricas, a elevao de potencial mais pronunciada

na regio prxima ao ponto de injeo de corrente. Por isso, nos pontos de

conexo dos cabos para-raios ao aterramento recomenda-se promover o aumento

da densidade de eletrodos na regio do solo prxima a tais pontos.

11. Para aumentar a proteo de seres vivos, recomenda-se empregar uma camada

de material isolante sobre o solo (brita, por exemplo), para limitar a corrente que

possa percorrer o corpo de seres vivos, eventualmente submetidos a uma

diferena de potencial na superfcie do solo.

Filosofias de aterramento

Aterramento isolado

equipamentos

de TI para-raios sistema de

energia eltrica

solo

ground #1 ground #2 ground #3

O objetivo evitar que surtos originados no sistema de energia eltrica interfiram em

equipamentos sensveis. Na prtica, a presena de rudos com potenciais entre 5 V e

100V reportada na literatura para aterramentos de potncia de dimenses mdias.


Aterramento isolado

Esta situao torna-se perigosa quando ocorre um surto devido a descarga

atmosfrica ou a uma falta no sistema de energia eltrica. Quando um raio atinge um

prdio, produzida uma alta tenso momentnea nos condutores do aterramento

devido ao rpido crescimento da corrente de descarga e indutncia dos elementos

do aterramento (que uma funo do comprimento desses condutores).

v = Ldi / dt (7)

Mesmo que no aterramento dos equipamentos de TI no apaream altos potenciais

uma vez que estes permanecem no potencial do solo, outras partes metlicas ou

estruturas do prdio podem assumir altos potenciais.


Efeito de elevados di/dt em condutores eltricos:

Fonte: IEEE 142 - 2007

Na presena de uma elevada variao da corrente, di/dt, em

um circuito indutivo haver uma queda de tenso desenvolvida

ao longo do prprio condutor de aterramento. Esta quantidade

ser proporcional ao comprimento do condutor e a distncia de

separao do equipamento protegido e tambm da derivada

di/dt.

Valores reais podem ser muito altos, mas um valor

representativo 10kA/s. Com tal valor de crescimento da

corrente, at mesmo uma indutncia de 1H pode ser

significativa:

v = Ldi / dt

v = 10610+310+6

v = 10.000 volts


Aterramento isolado

solo

viga metlica do

prdio

potencial

elevado

para-raios

Outro problema com o aterramento isolado que a resistncia de um dos

aterramentos sempre maior que a resistncia dos aterramentos combinados.


Aterramento por ponto nico

equipamentos


energia eltrica

solo

ground

Este conceito refere-se ligao de todo o sistema atravs de uma nica conexo

terra ou ao sistema de equipotencializao, designado como ponto central de

aterramento.



equipamentos


energia eltrica

solo

ground

O objetivo evitar o acoplamento de tenses causadas por interferncias

eletromagnticas e que originam fluxo de corrente atravs das blindagens dos cabos

ou dos loops estabelecidos em relao s referncias de terra.



equipamentos


energia eltrica

solo

ground

A partir do ponto central do aterramento (geralmente o aterramento da SE) deriva-se

um condutor nico isolado. Alguns ramos se originam desse condutor. Cada um deles

d origem a novos ramos isolados e assim por diante.



equipamentos


energia eltrica

solo

ground

Esse aterramento apresenta desempenho satisfatrio com respeito ocorrncia de

descargas atmosfricas, curtos-circuitos e transitrios nos equipamentos de alta

tenso. As interferncias associadas aos rudos de baixa frequncia so praticamente

eliminadas.



equipamentos


energia eltrica

solo

ground

Devido ao aterramento em ponto nico e ligao radial do cabo de aterramento, em

caso de elevao de potencial associada s ocorrncias citadas, todo o sistema

submetido mesma condio (ou seja, flutua no mesmo potencial) e as diferenas de

potencial so desprezveis. O aterramento previne o surgimento de diferenas de

potencial entre os diferentes terras.



equipamentos


energia eltrica

solo

ground

Problemas e dificuldades prticas:

1. difcil assegurar a integridade da isolao das partes metlicas do sistema

(podem aparecer conexes no propositais para a terra, como resultado de falha

de isolamento);

2. A configurao radial dos cabos usualmente implica uma longa extenso de

condutores, tornando o sistema mais suscetvel interferncia eletromagntica.



equipamentos


energia eltrica

solo

ground

Problemas e dificuldades prticas (continuao):

3. Na prtica, a impedncia de um aterramento nico, ZP, tem um alto valor, a qual

no pode dispersar apropriadamente os surtos de uma descarga atmosfrica

podendo causar um indesejvel aumento do potencial no sistema de aterramento

com respeito s massas ligadas ao terra.


Aterramento com equipotencializao (mltiplos pontos)

equipamentos


energia eltrica

solo

Multiples ground electrodes inter-connected together

condutor de

equipotencializao All grounding

system bonded

together

A ideia bsica que cada parte metlica no energizada esteja ligada diretamente

equipotencializao atravs de um condutor de equipotencializao, com menor

percurso possvel (objetivo: menor indutncia e menor resistncia).

malha de sinal

com reticulado

reduzido para

TI



equipamentos


energia eltrica

solo


condutor de


system bonded

together

Nesta filosofia, a interligao dos sistemas de aterramento forma um caminho de

baixa impedncia, que rene todas as ligaes ao terra no interior da edificao.



equipamentos


energia eltrica

solo


condutor de


system bonded

together

Este sistema de aterramento previne o surgimento de potencial perigoso em relao

ao aterramento geral das massas e tambm evita o aparecimento de tenses

diferenciais entre superfcies metlicas expostas do prdio e as massas dos

equipamentos eltricos e eletrnicos.



equipamentos


energia eltrica

solo

condutor de

equipotencializao

All grounding

system bonded

together

Problemas e dificuldades prticas:

1. Os potenciais eventualmente presentes no solo devido a ocorrncias externas,

como faltas em sistemas de alta tenso prximos ou descargas prximas, so

transmitidos por todo o sistema de aterramento, impondo correntes elevadas aos

condutores que conectam os terras locais.


contrapeso

L

Resistncia de um arranjo de eletrodos de aterramento constitudo por cabos contrapeso

em funo do comprimento L de cada perna para um solo de 1.000-m.

Aterramento tipo contrapeso para LTs

Fonte: Silvrio Visacro,

tutorial para XVII CBA, 2008.

Resistncia de um arranjo de eletrodos de aterramento constitudo por cabos contrapeso em

funo do comprimento L de cada perna para um solo de 100, 250, 500, 1.000, 2.000, 5.000-m.

10 20 30 40 50 60 70 80 900

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Comprimento L de cada perna (m)

Re

sis

tn

cia

em

oh

m

100

250

500

1.000

2.000

5.000

Impedncias impulsivas mximas requeridas pelas

concessionrias:

O papel fundamental do aterramento nas LTs influenciar o desempenho destas frente a

descargas atmosfricas, uma vez que as descargas so a fonte mais frequente de desligamentos

das linhas.

Descargas diretas incidentes nas fases ou cabos de blindagem podem causar sobretenses muito

elevadas sobre os isoladores da linha, promovendo arcos eltricos de contornamento dos

isoladores, que podem levar a falhas.

Backflashover: Incidncia de descarga sobre o cabo de blindagem ou sobre a estrutura. A corrente

de descarga ao dispersar no solo pelos eletrodos de aterramento da torre promove uma elevao

de potencial (GPR=ground potential rise). Este potencial transmitido ao topo da torre e, como as

fases tm potencial instantneo nulo (valor mdio zero), os isoladores que separam o topo da torre

das fases ficam submetidos aproximadamente a essa elevao de potencial. Se a impedncia de

aterramento muito elevada, tambm ser elevada a tenso resultante nos isoladores.

Ao formar um arco, a corrente de descarga fluiria para o solo sustentada pela tenso de operao

da linha (60Hz), estabelecendo-se ento um curto-circuito.

Quando a proteo da LT sensibilizada pela corrente de curto-circuito, esta comanda de imediato

a abertura dos disjuntores, desligando a linha.

Tenso nominal da LT (kV) RMX ()

69 8

138 25

230 35

345 39

500 50

Prtica usual das empresas de energia eltrica: estabelecer um RMX

para a resistncia de aterramento das torres da linha.

RMX o valor aceitvel para torres em condies crticas. Valor

inferior deve ser buscado para a resistncia ao longo da linha.

Fonte: S. Visacro Filho, XVII CBA, 2008.

Fonte: G. A. D. Dias et al., IX SIPDA, 2007.

n: nmero de contrapesos;

a = 2ah : raio efetivo do contrapeso (m);

a : raio do contrapeso (m);

h : profundidade do eletrodo (m);

L : comprimento do contrapeso (m)

)(1ln)(

2

2 nNnL

nRah

L

1

1 )(

)(1ln)(

n

mn

m

nm

sen

sennN

resistividade aparente

Frmula vlida para contrapesos tipo p de

galinha (crow foot).

Impedncia em

Resistncia a 60Hz

Velocidade relativa de propagao do surto (v/c) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

150

100

50

n=1

n=2

n=3

n=4

Anlise para um contrapeso de

impedncia de surto inicial 150 e com 300m de comprimento.

mais eficiente usar 4 cabos de

75m cada do que um de 300m.

Fonte:

DIAS, G. A. D., RAIZER, A., ALMAGUER, H. D., MUSTAFA, T.I., COELHO, V.,

Aterramento eltrico impulsivo, em baixa e alta frequncias. Organizador: Marcos Tell. Porto Alegre: EdiPUCRS, 2007.

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