As inúmeras regras sobre o Grounding às vezes parecem um pouco demais para lidar? Os problemas de implementação do aterramento às vezes o deixam atordoado e confuso, com a solução correta aparentemente um pouco acima da sua cabeça? Se sim, não se sinta sozinho.
Apesar da extensa literatura sobre aterramento, alguns dos seus conceitos importantes parecem estar ausentes da tradição oral e prática regular da indústria elétrica – e alguns conceitos errôneos de aterramento parecem estar solidamente ancorados em seu lugar. Consequentemente, muitos projetos e instalações não são tão confiáveis ou seguros quanto poderiam ser.
Mas você pode se afastar da confusão se você entender os conceitos por trás das regras. Com uma melhor compreensão, você pode ter mais confiança de que seu sistema de aterramento funcionará como você pretende.
Voltar ao básico. A primeira coisa a entender é que a corrente de terra-falha – como toda a electricidade – procura regressar à sua fonte de energia. Este princípio é o que faz com que os circuitos eléctricos funcionem em primeiro lugar. Qual é a fonte da corrente de terra-faultado? Ela não tem origem na terra, mas no transformador utilitário.
Kirchoff afirma que a corrente fluirá em proporção inversa à impedância dos caminhos apresentados a ela. Assim, as impedâncias relativas dos vários caminhos determinam como a corrente de defeito volta à sua fonte.
A impedância do caminho entre o eléctrodo de terra e a fonte é quase sempre significativamente maior do que a impedância do caminho através do condutor de terra/terra.
Se não tiver a certeza disto nas suas instalações, meça a impedância de um fio de cobre do eléctrodo até à fonte e compare com a impedância através da terra.
Esta diferença na impedância significa que apenas uma quantidade mínima de corrente de defeito flui através do eléctrodo de ligação à terra. A falha normalmente percorre a terra do equipamento (condutores e sistemas de pistas metálicas), através da ligação neutro-terra, e de volta à fonte através do condutor aterrado (neutro). É a corrente de falta elevada através do caminho de baixa impedância que provoca o disparo de um dispositivo de sobrecorrente – não a quantidade insignificante de corrente que flui através da sujeira através de uma haste de aterramento (Fig. 1).
Se for esse o caso, qual é a função do eletrodo de aterramento? Acredite ou não, ele tem várias, incluindo as seguintes:
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Limitar tensões impostas por raios, surtos ou contato acidental com linhas de tensão mais altas.
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Estabilizar a tensão para terra durante o funcionamento normal, ajudando a manter a tensão dentro dos limites previsíveis.
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Assistir o utilitário a limpar suas próprias falhas, basicamente tornando-se parte do sistema de aterramento multiponto do utilitário.
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Prover um caminho para a terra para a dissipação estática.
Espaçamento entre barras de terra. Suponha que você dirige a primeira barra de terra para um sistema. Se tiver uma resistência à terra de 25 ohms ou mais, 250,56 da NEC 2005 exige que você acione uma segunda haste. Mas muitos empreiteiros não se preocupam em medir a resistência ao solo. Eles simplesmente planejam dirigir duas hastes, porque ao fazer isso, atenderá aos requisitos de 250,56, independentemente da resistência real ao solo. Assim, instalações de duas hastes são comuns, mas elas são necessariamente corretas?
O Código exige que você espaçe as hastes pelo menos 6 pés de distância. No entanto, este espaçamento é um mínimo – e está longe de ser o ideal. Ao usar a típica vareta de 8 ou 10 pés de terra, você obtém os melhores resultados ao espaçar as hastes a pelo menos 16 ou 20 pés de distância, respectivamente. Isto é muito maior do que o espaçamento mínimo de 1,80 m do Código.
Bastão-terra espaçada a menos de dois comprimentos de haste entre si irá interferir uma com a outra porque suas áreas de resistência efetiva irão se sobrepor (Fig. 2a acima). Para referência, veja IEEE-142 e Soares Book on Grounding. A sobreposição aumenta a resistência líquida de cada haste, tornando o sistema de eletrodos de aterramento menos eficaz do que se as hastes estivessem espaçadas mais distantes (Fig. 2b acima).
Prumo de ligação principal. O jumper de ligação principal é a ligação entre o neutro e as barras de terra do equipamento dentro do serviço. Esta ligação vital permite que a corrente de falta à terra volte para a fonte. Sem o jumper de ligação principal, a falha teria de passar por terra de alta impedância em vez de cobre de baixa impedância. Este caminho de alta impedância muito provavelmente limitaria a corrente e evitaria que os disjuntores disparassem – ou pelo menos os impediria de disparar em tempo suficiente para evitar danos ao equipamento.
Tamanho do jumper de ligação principal de acordo com a Tabela 250.66. Muitas pessoas assumem que esta tabela indica que o tamanho máximo do jumper de ligação principal é 3/0 AWG, mas esse é outro equívoco comum. O jumper de ligação deve ser de pelo menos 12,5% da área equivalente dos condutores de fase . Se você estiver rodando 11 conjuntos de condutores de 500 kcmil (um serviço de 4.000A, por exemplo), o jumper de ligação principal precisaria ser 700 kcmil no mínimo, e não 3/0 AWG.
Esta questão é menos preocupante com os jumpers de ligação para sistemas derivados secundários, como transformadores e geradores, uma vez que as correntes de falha são tipicamente muito menores nesses sistemas.
Condutores de ligação à terra de equipamentos. Os projetistas normalmente usam a Tabela 250.122 ao dimensionar os condutores de aterramento dos equipamentos. Na maioria dos casos, o tamanho será adequado, especialmente para pequenos circuitos de derivação. Mas quando a corrente de falha disponível é alta – digamos 100.000A – e quando um disjuntor a montante é ajustado para retardar seu disparo por vários ciclos, você deve dimensionar os condutores de aterramento com mais cuidado.
Pistas metálicas, que normalmente transportam mais corrente do que os condutores de aterramento do equipamento, podem não ser instaladas adequadamente ou podem se separar com o tempo. Conseqüentemente, o condutor de aterramento do equipamento pode ser o único caminho de retorno de terra disponível. Condutores de aterramento subdimensionados podem derreter durante uma falha antes de servir seu propósito de fornecer um caminho contínuo de corrente de baixa impedância de volta à fonte durante uma condição de falha.
É importante entender que os condutores têm capacidade de suportar as classificações. A Associação de Engenheiros de Cabos Isolados fornece uma norma chamada Características de Curto-Circuito de Cabo Isolado, número P 32-382 (1994). Esta norma diz que, durante um período de 5 segundos, a classificação de resistência de um condutor é de 1A por 42,25 mils circulares.
Por exemplo, um condutor 3/0 AWG pode transportar com segurança 3.972A durante 5 segundos. O I2T, 5 segundos de resistência é portanto 78.883.920A. Agora assuma que um disjuntor está configurado para abrir em 30 ciclos – um atraso que você pode ver no serviço. Você pode determinar rapidamente que a corrente máxima que um 3/0 AWG pode carregar durante 30 ciclos (0,5 seg) é:
I2T = 78.883.920
I= √ (78.883.920÷T)
I= √ (78.883.920÷0.5)
I=12.560A
Mas se a corrente de falha disponível for 65.000A ou 100.000A no final da carga do condutor de aterramento, o condutor de aterramento será rapidamente destruído em caso de falha, assumindo que o disjuntor leva 30 ciclos para abrir. Você deve estar atento à corrente de falha disponível e permitir o tempo de abertura dos disjuntores, especialmente os disjuntores principal e de alimentação no quadro de distribuição principal. Execute os cálculos de I2T conforme descrito acima, especialmente quando a corrente de falha disponível é alta. Você pode ver que dimensionar corretamente os condutores de aterramento do equipamento não é tão simples quanto aplicar os mínimos NEC.
Correntes de aterramento do sistema. A corrente está presente no sistema de aterramento durante condições normais de operação, e não apenas durante uma condição de falha. Isto provavelmente explica porque o Código permite que os sensores de falta à terra sejam ajustados até 1.200A para evitar disparos incômodos .
Além das faltas à terra, várias coisas podem produzir corrente no sistema de aterramento, incluindo o seguinte:
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Correntes induzidas de fios adjacentes que transportam corrente.
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Correntes induzidas de motores (particularmente monofásicos).
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Acoplamento capacitivo entre os fios fase e neutro aos condutores de aterramento. Este fenómeno é conhecido por causar incómodos GFCI em circuitos longos.
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Descarga electrostática do equipamento.
Laçadas de terra. Você pode formar loops de terra através da interação de aterramento de energia e cabeamento de baixa tensão. O cabeamento de baixa tensão frequentemente contém um condutor de aterramento de sinal que pode essencialmente unir os aterramentos de sinal interno entre diferentes peças de equipamentos eletrônicos. Se também existir uma ligação interna entre a terra de potência e a terra do sinal dentro do equipamento eletrônico, a corrente pode fluir através deste laço. Embora cabos blindados de baixa tensão sejam tipicamente aterrados apenas em uma extremidade para evitar loops de aterramento, um fio de aterramento de sinal separado dentro da blindagem ainda pode criar uma ligação.
Para um exemplo de onde isso normalmente ocorre, pense em uma rede de computadores e as blindagens em dispositivos como impressoras, roteadores e estações de trabalho. Se você estiver interligando diferentes equipamentos, você está interligando dispositivos que têm um potencial entre seus respectivos pinos de aterramento (Fig. 3). Se você tiver um circuito completo através dos fios de sinal, você tem um loop de aterramento. As correntes de terra fluirão devido a este potencial, e criarão ruídos elétricos que podem interferir com o funcionamento do sistema. Campos eletromagnéticos que passam através deste loop também podem causar o fluxo de corrente.
Para minimizar este fenômeno, você deve limitar o potencial entre estes vários pontos de aterramento. O TIA/EIA J-STD-607-A recomenda um potencial máximo de 1V entre os pontos de aterramento. Curiosamente, também recomenda um grande laço de aterramento para aterramento de edifícios de vários andares (Fig. 4). Em redes de computadores, a limitação do potencial entre os pontos de aterramento tem claramente precedência sobre as preocupações com os laços de circulação das correntes de terra. O equipamento audiovisual é muito mais sensível, contudo.
Um determinado edifício tem centenas, se não milhares de cabos de baixa tensão, e cada um pode formar o seu próprio laço de terra em combinação com o sistema de aterramento de energia. Infelizmente, não há nenhuma maneira prática em um edifício padrão para garantir um plano de aterramento uniforme em todo o edifício.
O melhor que você pode fazer é aterrar corretamente as peças chave do equipamento. Isto significa fornecer barras de terra em todas as telecomunicações e salas de áudio/vídeo, e certificar-se de que cada peça de equipamento dentro destas salas está ligada a estas barras de terra. Isto assegura um plano de aterramento razoavelmente uniforme dentro da sala – pelo menos na faixa de frequência mais baixa.
Uma cura comumente prescrita para estes tipos de problemas de aterramento é fornecer planos de aterramento equipotenciais em uma ampla faixa de frequências. Os métodos incluem o uso de malhas de terra dentro de lajes e grelhas de referência de sinais abaixo de pisos elevados. Dado o custo de tais medidas, estes métodos são tipicamente reservados para as instalações de comunicações mais sensíveis – não instalações comerciais ou institucionais típicas. Um plano de terra equipotencial é apenas um passo, no entanto. Não é uma cura-tudo para laços de terra, porque as correntes podem sempre ser induzidas por campos electromagnéticos que passam pelos condutores.
Não se deixe dominar pela vasta quantidade de minúcias relacionadas com a ligação à terra. Ter um controle sobre alguns conceitos básicos de aterramento deve ajudar você a resolver as coisas. Um bom aterramento é a chave para o sucesso operacional de qualquer instalação, portanto quanto mais informados forem seus projetos, mais confiável será a instalação e menos problemas de qualidade de energia surgirão.
Janof, P.E., é associado e gerente sênior de projetos na Sparling, uma empresa de consultoria em engenharia elétrica e tecnologia com escritórios em Seattle e Portland.