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Desempenho de aterramentos a frequência industrial

As principais variáveis que interferem no desempenho de um sistema de aterramento à frequência industrial (50Hz ou 60Hz) são resistividade do solo, geometria dos condutores dos aterramentos e a magnitude da corrente injetada nos aterramentos. Os valores destas variáveis estão relacionados com os parâmetros a seguir:

− a resistência de aterramento dos diversos eletrodos que compõem o sistema;

− as resistências mútuas (acoplamento resistivo) entre eletrodos;

− os potenciais na superfície do solo induzidos pelos eletrodos; e

− a elevação de potencial dos eletrodos.

Para fenômenos à frequência industrial admite-se que o comportamento do solo é semelhante ao de regime estacionário, quando as suas propriedades são, basicamente, caracterizadas pela resistividade elétrica. A forte influência exercida pelo solo é bastante compreensível por ser o meio no qual os eletrodos encontram-se imersos.

A resistência de aterramento dos eletrodos, bem como os seus acoplamentos resistivos (resistências mútuas) são funções da disposição relativa entre eles e de características do solo. A elevação de potencial dos eletrodos e os perfis de potenciais na superfície do solo, dependem, também, da magnitude das correntes injetadas no aterramento.

A resistência mútua vem a ser o efeito exercido por um eletrodo de aterramento que dissipa uma corrente para o solo sobre outro eletrodo existente dentro da sua área de influência. Este acoplamento mútuo manifesta-se sob a forma de um potencial que surge no segundo eletrodo, mesmo que não interligado ao primeiro eletrodo onde é feita a injeção de corrente. O efeito do acoplamento mútuo entre os diversos elementos componentes de uma malha de aterramento (interligados entre si) pode ser visualizado como uma redução da eficiência do conjunto, o que se reflete no fato que a resistência de aterramento de um conjunto de eletrodos de aterramento não coincide com o paralelo das resistências dos seus elementos componentes.

A área de influência de um conjunto de eletrodos é determinada pela sua dimensão e pela resistividade do solo, sendo diretamente proporcional a estes dois parâmetros. Os limites desta área são determinados pela região onde não se fazem mais sentir os efeitos da injeção de corrente na malha, onde são desprezíveis as densidades de corrente por seção reta unitária do terreno e, em consequência, as diferenças de potenciais no solo.

 

A figura abaixo apresenta os diversos parâmetros associados a um aterramento constituído por uma única haste de 3/4” x 3m, em solo de 100Ω.m, onde é injetada uma corrente alternada de 10A (60Hz), inclusive com o acoplamento mútuo a outra haste não interligada, distante 3m: 

A primeira haste pode ser chamada de aterramento principal e a segunda haste de aterramento flutuante. A resistência de aterramento da haste principal será dada pela relação entre a tensão na própria haste e a corrente nela injetada:

A resistência mútua entre as duas hastes será dada pela relação entre a tensão na haste flutuante e a corrente injetada na haste principal:

O circuito elétrico correspondente à configuração acima exemplificada será dado pelo esquema:

Se as duas hastes forem interligadas elas formarão um aterramento único, cuja resistência poderá ser calculada pela resolução do circuito série paralelo:  

A aplicação dos valores do exemplo à expressão acima resulta no valor: Reqv=18Ω.

Este resultado demonstra o mencionado efeito redutor da eficiência aterramento formado por um conjunto de vários elementos enterrados próximos, devido ao acoplamento resistivo mútuo entre os mesmos, pois Reqv>Rp/2.

A figura apresentou a metade de um eletrodo semiesférico de raio e a respectiva curva de potenciais na superfície do solo, dada pela expressão V = ρI/(2.π.r). Verifica-se que a uma distância de 2do centro do eletrodo o potencial na superfície do solo já decaiu para a metade do potencial do eletrodo, e que até 10 raios de distância o valor do potencial no solo reduz-se para 10%. O rápido decaimento do potencial nas proximidades do eletrodo de aterramento, de forma não linear, pode ser explicado pelo fato da superfície de solo atravessado pela corrente aumentar com a distância ao eletrodo, o que resulta em densidades de corrente por seção reta de solo cada vez menores.

Um aspecto importante do comportamento de eletrodos de aterramento a baixas frequências vem a ser a equipotencialidade, o que pressupõe a não uniformidade da dissipação de correntes para o solo ao longo dos seus elementos.

A equipotencialidade de um grupo de eletrodos de aterramento interligados significa que as quedas de potencial longitudinais nos mesmos são desprezíveis, de modo que todo o conjunto de eletrodos assume um único potencial. Esta consideração é aplicável às malhas de aterramento de dimensões usuais construídas em cabo de cobre, não sendo válida nas seguintes situações:

− malhas de grandes dimensões, tais como as de instalações industriais de grande porte;

− eletrodos longos, tais como os contrapesos (cabos de aterramento) contínuos das torres de linhas de transmissão; e

− malhas em aço.                                                                                                

A não uniformidade da densidade superficial de corrente dispersada para o solo ao longo dos elementos do eletrodo significa que a dispersão de corrente para o solo pelo eletrodo não ocorre de forma homogênea em cada um dos seus segmentos elementares. Tipicamente a densidade superficial de corrente dos condutores periféricos de uma malha de aterramento é superior à dos condutores centrais, o que significa que os primeiros dispersam para o solo uma fração maior da corrente total na malha do que os últimos.

 

CRÉDITOS

Eng. Wagner Franklin – FAW7 

Eng. Paulo Edmundo

 

 

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