Aterramentos elétricos – Panorama da normalização

dez, 2020

Por Rinaldo Junior Botelho, Rosane Maris Ribas e José Maurílio da Silva*

A ideia deste artigo é levar aos leitores o conhecimento obtido ao longo do tempo e detalhar pontos importantes de cada norma ligada ao assunto “aterramento elétrico”.

A Comissão de Estudos que atua na área especifica de “aterramentos elétricos” é a CE-03.102, reativada em setembro de 2004, após desenvolvimento de trabalhos árduos e extremamente produtivos no âmbito do CODI – Comitê de Distribuição nos anos de 1980. Daquele comitê participaram profissionais de todas as empresas de distribuição de energia elétrica do país, sendo os trabalhos interrompidos no início do processo de privatização destas empresas.

A nova comissão, integrada por representantes de empresas concessionárias de energia elétrica, projetistas, consultores, fabricantes de equipamentos de medição e materiais para aterramento e instituições de pesquisa, teve então como escopo a normalização sobre assuntos relacionados “aterramento”. Este tema inclui resistividade de solos, medições em sistemas de aterramento de qualquer natureza energizados ou não energizados, projetos de aterramentos para sistemas de distribuição de energia elétrica, critérios de projetos para subestações de energia elétrica, materiais de aterramento etc.

Ao longo dos anos o tema “aterramento elétrico” vem exigindo cada vez mais estudos   e incorporação de novas técnicas alinhadas à evolução do conhecimento e a evolução dos dispositivos e equipamentos que devem ser protegidos.

Mas um sistema de proteção e aterramento não visa apenas atender às necessidades de proteção de equipamentos, mas fundamentalmente a proteção à vida e para tanto há que se estabelecer normas que tornem os sistemas mais seguros e confiáveis.

É de suma importância destacar que as revisões das normas internacionais (IEEE e IEC) também impactam em nossas normas e a comissão atua na vanguarda destas atualizações. A norma IEEE 80, por exemplo, (serviu e serve como guia para projeto de sistemas de aterramento em subestações) indicou em sua revisão de 2012 a necessidade de medir as componentes reativas das resistências de aterramento com alta frequência (dezenas de kilohertz).

A versão de 2012, parágrafo 12.1 traz:“Traditional ground test instruments operate using a low-frequency ac balanced bridge or other similar methods, and the impedance measured is the resistance nearly equal to dc, thus,  not  including  high-frequency  reactance  components.  Testers used to evaluate the high-frequency reactance of a ground electrode system apply either a high- frequency current in the tens of kHz range or a sharp impulse with a fast rise time (1 μs). The three- point method or the fall-of-potential method test configurations are typically used for this type of tester.”

A norma brasileira ABNT NBR 15749 – Medições de  potenciais superficiais – Toque e Passo, de 2009 já apresentava um anexo com esta orientação indicando a necessidade de medição com terrômetro de 25 kHz apresentando um grande avanço a nível mundial.

Outra inovação: estabelecer uma norma de “materiais de aterramento” e mais ainda, incluir nesta norma “tratamento para solo de alta resistividade”, que também esta muito alinhada as IEC-62305 e 62561.

As normas desenvolvidas pela comissão e já publicadas pela ABNT são:

  • NBR 7117 – Medição de Resistividade do solo pelo método dos 4 pontos (Wenner);
  • NBR 15751 – Sistemas de aterramento de subestações – Requisitos;
  • NBR 15749 – Medições de potenciais superficiais – Toque e Passo;
  • NBR 16527-1 – Aterramento para sistema de distribuição – Parte 1;
  • NBR 16254 -1 – Materiais para sistema de aterramento – Parte 1.

A norma NBR 16527-1 foi publicada em 06/10/2016 sendo, portanto, o mais recente trabalho da comissão. As demais estão em revisão e complementação conforme quadro abaixo.

Neste artigo abordaremos a ABNT NBR 16254-1 Parte 1 – Materiais para sistemas de aterramento – Requisitos.

A norma NBR 16254 traz em seu primeiro capitulo os requisitos gerais para materiais utilizados em sistemas de aterramento. A Comissão de Estudos já iniciou os trabalhos para os demais capítulos (hastes de aterramento, conectores, condutores etc..), conforme descrito na Tabela 1.

A ênfase da ABNT NBR 16254 parte 1 está nas características funcionais e não nas características construtivas dos materiais, assuntos que serão objeto dos capítulos subsequentes.

As características das instalações atuais, como aterramento de transformadores de distribuição na área urbana, sistemas de telefonia, e outros, que geralmente tem limitações de espaço para desenvolvimento de grandes malhas de aterramento, ou ainda, parques de geração fotovoltaica ou eólica que em geral são instalados em solos de alta resistividade, muitas vezes obrigam o projetista, a partir das medições de resistividade do solo e da análise geométrica da malha, usar elementos (aditivos para tratamento de solo) que reduzam a resistividade do solo, conferindo resistência e impedância baixas ao sistema.

A norma NBR 16254-1 trata no item 8, especificamente sobre melhoramento do solo.

Este trabalho foi desenvolvido a partir de uma série de estudos, análises em laboratório e em campo e também baseado na norma internacional, IEC 62561 – 7 Lightning protection system components (LPSC) – Part 7: Requirements for earthing enhancing compounds.

Muitos artifícios eram e ainda são utilizados visando obter aterramentos de baixa resistência, embora a obtenção de resistência pré-definida (10 ohms, por exemplo) já não conste nas normas como exigência, mas como recomendação, sendo mais importante eliminação de potenciais perigosos e a equalização destes potenciais. O conjunto resistência e impedância ainda influenciam na análise independente de cada sistema de aterramento e sua função (surtos, corrente de curto circuito etc..).

Era comum se utilizar carvão, produtos químicos altamente danosos ao meio ambiente (sais e sulfatos), geralmente produtos facilmente lixiviáveis, e através destes tentar obter baixas resistências e “melhorar o aterramento”.

Esta seção da norma define justamente os ensaios a serem realizados em aditivos (também chamados de despolarizantes), que podem ser aplicados em solos, envolvendo condutores e/ou hastes de aterramento com objetivo de reduzir a resistência de aterramento.

Estes materiais devem ter as seguintes características mínimas:

  • Não tóxico, não agressivo ao meio ambiente;
  • Não causar efeitos na pele.

E devem ser analisados quanto à:

  • determinação da condutividade e resistividade;
  • determinação da capacidade de retenção de água;
  • determinação da umidade do solo;
  • determinação do potencial de corrosão;
  • determinação do pH do solo saturado com água;
  • determinação da sobretensão do hidrogênio;
  • determinação do potencial Redox;
  • determinação do pH do extrato aquoso;
  • determinação de cloretos;
  • análise qualitativa de sulfatos.

Os dois primeiros itens devem ser comprovados através de testes específicos em laboratórios especializados, para os demais a norma estabelece os padrões de ensaios.

Quanto à resistividade

A determinação da resistividade do aditivo para tratamento do solo leva em conta:

  • resistividade do produto seco;
  • variação da resistividade com o teor de umidade;
  • grau de absorção de umidade.

A condução de corrente por um determinado elemento está ligada a sua estrutura atômica, definido por seus elétrons livres ou ainda por troca iônica.

Quando utilizamos um tratamento para o solo, o mesmo pode ser um condutor ou um eletrólito, facilitando o transito de elétrons entre a malha e o solo.

A resistência e a impedância do sistema também estão ligadas à geometria da malha, ao tipo de condutor utilizado (seção condutora e geometria) e também as características do solo.

Quando se utiliza um componente para tratamento que apresente baixa resistividade e consequente boa condutividade, significa que se está ampliando o contato dos eletrodos com o solo e permitindo melhor escoamento e dispersão de corrente.

A análise estabelecida em norma visa a verificação e a comprovação destes fatores, que influenciarão na resistência final de aterramento.

A Figura 1 mostra o perfil do comportamento da variação da resistividade com teor de água para um solo hipotético, a Figura 2 evidencia a curva característica de um tratamento de solo hipotético e a Figura 3 exibe o comportamento característico um tratamento de solo misturado a areia lavada.

Os anexos C e D da norma ABNT NBR 16254-1 apresentam ensaios para a caracterização do aditivo ou despolarizante pela obtenção da resistividade mínima e pela capacidade de retenção de água.

Quanto à corrosão

Quanto mais condutor é um solo, maiores serão os índices     de corrosão, portanto, deve-se sempre analisar os materiais empregados em um sistema de aterramento quanto a sua vida útil e o seu grau de corrosividade.

A corrosão de estruturas enterradas é causada tanto pelas propriedades físico-químicas e biológicas do solo (agressividade específica) como por fatores externos que interferem no processo de corrosão (agressividade relativa).

Os parâmetros relacionados com os fatores externos estão detalhados no Anexo B da norma ABNT NBR 16254 – 1. A agressividade específica, por sua vez, está intimamente ligada às propriedades locais do solo, como: resistividade elétrica, teor de umidade, acidez ou alcalinidade, permeabilidade, presença de sais solúveis e microorganismos. Estes fatores atuam de forma conjunta e, por este motivo, a agressividade ou corrosividade dos solos não pode ser avaliada com base em propriedades isoladas.

A norma ABNT NBR 16254 – 1 estabelece os métodos de medição em laboratório, dos principais parâmetros que influenciam a corrosividade dos solos e fornece alguns métodos e critérios básicos para a sua avaliação. Estes métodos e critérios não são únicos, havendo várias proposições que apresentam, na maioria dos casos, resultados satisfatórios quando comparados com os observados em campo. No entanto, nenhum desses métodos envolve todas as variáveis que atuam no processo de corrosão pelo solo, devendo ser sempre analisados caso a caso, verificando o mais adequado para cada situação.

As tabelas B.4, B.5, B.6 e B.7 (reproduzidas a seguir), os critérios propostos para analise de corrosão do solo.

Além dos critérios já mencionados, a norma abrange outros como: par galvânico, potencial Redox etc. Estas análises podem ser feitas no solo, no tratamento do solo (aditivo) e no solo tratado.

O solo tratado sofrerá alteração em suas características ao redor dos eletrodos que resultará em redução da resistividade, sendo esta diferença entre um eletrodo tratado e um eletrodo sem tratamento traduzido em um coeficiente (kT). Este coeficiente será tanto menor quanto maior for a resistividade do solo.

Na pratica, pode-se determinar o coeficiente de redução comparando um eletrodo tratado e um eletrodo não tratado e definir a resistência de uma haste tratada (R1hT) conforme equação:

Em que:

  • Qa é a resistividade aparente, expressa em ohms metro (Ω m);
  • L é o comprimento da haste, expressa em metros (m); d é o diâmetro do eletrodo, expresso em metros (m);
  • kT é a resistência após o tratamento/resistência antes do tratamento.

Nota: os coeficientes de redução (kT) obtidos na pratica variam de 0,05 a 0,50.

Com todos estes parâmetros definidos e ensaiados, é possível estabelecer um tratamento para o solo adequado, com longa vida útil, sem contaminar o meio ambiente.

Convém lembrar ainda que a norma ABNT NBR 16254 – 1 é finalizada com um item sobre segurança a ser seguido durante a etapa de campo e/ou de laboratório.

 


Rinaldo Junior Botelho é matemático, engenheiro eletricista, sócio fundador da empresa Fastweld, atua há 30 anos no segmento de materiais para aterramento, é membro da CE 03:102 – Comissão de estudos de “Segurança em Aterramento Elétrico de Subestações C.A”, que faz parte do Comitê Brasileiro de Eletricidade (CB-03), do Comitê Brasileiro de Eletricidade, Eletrônica, Iluminação e Telecomunicações (Cobei).

Rosane Maris Ribas é engenheira, trabalhou por 30 anos no departamento de engenharia da COPEL, é membro da CE 03:102 – Comissão de estudos de “Segurança em Aterramento Elétrico de Subestações C.A”, que faz parte do Comitê Brasileiro de Eletricidade (CB-03), do Comitê Brasileiro de Eletricidade, Eletrônica, Iluminação e Telecomunicações (Cobei).

José Maurílio da Silva é pesquisador, doutor em físico química, especialista em corrosão pelo solo, trabalhou no LACTEC e é membro da CE 03:102 – Comissão de estudos de “Segurança em Aterramento Elétrico de Subestações C.A”, que faz parte do Comitê Brasileiro de Eletricidade (CB-03), do Comitê Brasileiro de Eletricidade, Eletrônica, Iluminação e Telecomunicações (Cobei).

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