Diagnóstico de sistemas de aterramento em grandes plantas industriais

Este trabalho apresenta um método para inspeções e diagnósticos de sistemas de aterramento de grandes dimensões, que possibilita avaliar sua integridade e suas condições físicas, utilizando medições em campo da resistividade do solo, da resistência de aterramento e da continuidade, verificando ainda aspectos de segurança e da integração de novas construções.

Marcelo de Almeida Barbosa, da Barbosa & Andrade

Data: 19/04/2017

Edição: EM Março 2017 - Ano 45 - N^o 516

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Os sistemas de aterramento em edificações, indústrias, subestações, etc. devem ser inspecionados periodicamente para assegurar a manutenção das condições de segurança pessoal e patrimonial das instalações, e, consequentemente, atender às recomendações das normas NR-10 e NBR-5419-3-2015 [1-2].

A NR-10, subitem 10.2.4, estabelece que a documentação dessas inspeções e medições do SPDA e aterramentos elétricos deve ser parte integrante dos Prontuários de Instalações Elétricas. Por sua vez, a NBR 54193, no item 7, apresenta recomendações quanto ao conteúdo, periodicidade e documentação da inspeção.

Em relação ao conteúdo, a norma sugere:

Verificação das condições do sistema de aterramento, incluindo, neste caso, conexões corroídas, cabos de aterramento soltos, danificados ou inexistentes, etc.
Avaliação da resistência ôhmica do sistema de aterramento. Na revisão da norma, o valor sugerido de 10 ohms foi suprimido. Contudo, o importante é sempre obter o menor valor possível compatível com o arranjo, dimensões e resistividade do solo. E isso é particularmente sensível em malhas de grandes dimensões, nas quais a medição da resistência de aterramento é um desafio. Na revisão da norma, dispensou-se também a medição física da malha, podendo ser calculada através da estratificação do solo e com o uso de um software adequado. Mesmo assim, recomenda-se a medição física para comparação com a medição simulada. Um valor da resistência de aterramento medido fisicamente bem superior ao valor esperado indica problemas do sistema de aterramento.
Verificação da i nterligação dos vários subsistemas de aterramento, através de uma ligação equipotencial de baixa impedância. No caso das grandes plantas industriais, isto também é muito importante, não só para verificar sua continuidade e equipotencialização, mas também para certificar que as novas construções e ampliações foram integradas ao sistema existente. Quanto à periodicidade, a norma determina a inspeção anual para estruturas com munição e explosivos, em ambientes industriais com atmosfera agressiva ou em regiões litorâneas e, ainda, para serviços emergenciais (energia, água, telecomunicações, etc.). Para as demais estruturas, recomenda-se inspeção a cada três anos.

Em relação à documentação gerada, inclusive para atendimento à NR-10, devem ser observados:

dados sobre a natureza, a resistividade e estratificações do solo;
valores medidos históricos da resistência de aterramento e ensaios de continuidade; e
planta baixa e detalhes do sistema de aterramento instalado.

Este trabalho apresenta um método para inspeções e diagnósticos de sistemas de aterramento de grandes dimensões, de forma a possibilitar:

Avaliação da integridade e das condições físicas do sistema de aterramento, para que exerça suas funções de equalização de potenciais, retorno da corrente de curto-circuito e escoamento das descargas atmosféricas.
Medição da resistência de aterramento em um sistema complexo de grandes dimensões, que, muitas vezes, é feita de forma inadequada.
Apresentação de problemas potenciais que podem passar despercebidos e se tornarem críticos, provocando acidentes e sinistros.
Medição da resistividade do solo em locais geralmente urbanizados (asfalto, concreto, etc.), a qual é de suma importância para a análise comparativa das resistências esperadas e medidas, verificando se a resistência medida está compatível com o arranjo e as dimensões do sistema de aterramento.
Verificação da integração de novas construções ao sistema de aterramento.

Desenvolvimento

Diagnósticos foram realizados em uma grande planta de pelotização de minério de ferro, cuja malha de aterramento industrial é constituída por um sistema único de aterramento de grande porte, ocupando área de aproximadamente 180 mil ^m2.

Fig. 1 – Localização das medições de resistividade e resistência de aterramento

Medições e cálculo da resistividade do solo

Em primeiro lugar, deve-se avaliar a característica do solo onde está implantada a malha. A resistividade aparente do solo (ρ_a), que é subsídio para estimativa da resistência de aterramento, é determinada através de medições da resistividade do solo pelo método de Wenner [3] e de software computacional específico para obtenção da estratificação do solo. A tabela I apresenta os resultados das medições de resistividade e estratificação do solo.

Por se tratar de uma malha de um grande sistema de aterramento, as medições de resistividade têm de ser feitas na periferia da planta industrial, para que as massas metálicas não interfiram nas medições, provocando erros nos valores obtidos. Recomenda-se afastamento mínimo de 10 m.

Para que os valores de resistividade sejam representativos do solo, sugerese, no mínimo, quatro locais de medição nos quatro lados da planta.

A partir das medições de resistividade, do conceito do raio do círculo equivalente que abrange a área do sistema de aterramento (ρ) e de ábacos (0, d, ρ₂/ρ₁), determina-se a resistividade aparente do solo (ρ_a), sendo no caso estudado:

r = 77,1; ρ₂/ρ₁ = 3,68; N = 3

Obtém-se então:

ρ_a = N . ρ₁
ρ_a = 235 Ω m

Fig. 2 – Gráfico p x R

Medições e cálculo da resistência de aterramento

Para uma área isolada de pequenas dimensões, utiliza-se o método da Queda de Potencial, no qual o eletrodo de corrente é cravado a uma distância não inferior à maior dimensão da malha de aterramento. Algumas concessionárias recomendam distâncias superiores a três vezes a maior dimensão, para garantir o patamar da curva resistência x distância.

No entanto, para grandes sistemas de aterramento, como a do exemplo em questão, o uso do método da Queda de Potencial é impraticável. Neste caso, recomenda-se o método de Interseção de Curvas, que resolve dois problemas práticos: a determinação do centro elétrico e a dificuldade de emprego de distâncias consideráveis para afastamento dos eletrodos auxiliares.

No exemplo em questão, foram feitas quatro séries de medidas, em locais diferentes, conforme mostra a figura 1.

A figura 2 apresenta os resultados de uma das séries de medições para distâncias do eletrodo de corrente de 200 e 100 metros (c) em função das distâncias de eletrodo de potencial (p).

Fig. 3 – Gráfico λ x R – R = 3,1 Ω; centro elétrico = 33 m

Aplicando-se o método da Interseção de Curvas, traça-se uma segunda curva ou curvas a partir do traçado para o método da Queda de Potencial. Sendo λ a distância do ponto de origem ao centro elétrico do sistema, a solução gráfica assume um grupo de valores para λ e, então, são calculados os correspondentes valores de r = 0,618 (c+λ) – λ, e a resistência obtida direto da curva p x R para uma determinada distância c [4].

As resistências obtidas são plotadas contra os correspondentes valores de λ em um segundo gráfico (curva R x λ) para os diferentes valores de c. A interseção dessas curvas será o valor verdadeiro da resistência de terra, mostrado na figura 3.

Considerou-se no trabalho o valor verdadeiro da resistência de terra da malha da planta industrial como a média das quatro séries de medidas, resultando em uma resistência R = 1,37 Ω.

Comparação entre valores medidos e calculados

Um cálculo teórico da resistência ôhmica de uma malha de terra pode ser obtida através da equação abaixo:

onde:
ρ_a = resistividade aparente do solo (Ωm);
A = área ocupada pela malha (m²); e
L = comprimento total dos cabos e eletrodos que formam a malha (m);

Alguns softwares já fornecem uma medição calculada através da equação. No exemplo dado, a resistência esperada da malha é de aproximadamente 0,32 Ω, considerando comprimento de cabos e hastes de 3000 m (estimado a partir do desenho do sistema geral de aterramento).

A tabela II mostra uma comparação entre os valores obtidos em 2015 com as medições realizadas há três anos. Apesar dos valores medidos serem bem inferiores a 10 ohms, a malha apresenta resistência de aterramento bem superior à esperada (0,32 Ω) em um solo de resistividade relativamente baixa.

Observando os resultados da tabela, pode-se concluir:

com a ampliação da planta industrial após 2012, a resistência caiu de 2,4 Ω para 1,37 Ω, como esperado;
devido aos problemas detectados desde 2012, o valor esperado de 0,65 Ω, e de 0,32 Ω, em 2015, piorou a relação valor real/valor esperado. Esses problemas são relatados a seguir e foram evidenciados pelos ensaios de continuidade e inspeções visuais.

Medições de continuidade do sistema de aterramento

O objetivo destas medições é verificar a integridade entre os principais pontos do sistema de aterramento geral da planta industrial. A metodologia utilizada baseia-se na injeção de corrente contínua entre cada dois pontos (A e B). Para isto, utilizou-se um microhmímetro digital, que pode fornecer corrente de até 10 A, conforme figura 4. Este ensaio não deve ser feito com multímetro ou equipamento de baixa potência, pois pode levar a falsas conclusões.

Fig. 4 – Ensaio de continuidade

Como critério geral, considerouse a existência de continuidade das interligações metálicas entre subestações, estruturas ou anéis de aterramento com resistência ôhmica inferior a 1,0 ohm. Acima deste valor, o retorno da corrente de curto faseterra é comprometido, assim como a equalização para descargas atmosféricas (fator importante para equipamentos sensíveis). Esta metodologia está fundamentada no Anexo F da NBR 5419-3.

A tabela III apresenta um modelo de relatório para ensaios de continuidade.

A inspeção/medição da integridade da malha de aterramento revelou várias não-conformidades:

27% das 290 medições executadas não garantiram a continuidade, confirmando o elevado número de descontinuidades encontradas em 2012. Estas descontinuidades junto com as más condições do aterramento provocaram deterioração e valor de resistência de aterramento cerca de quatro vezes superior ao esperado.
Os ensaios de continuidade também confirmaram a integração da área ampliada com o siste-ma de aterramento geral.

Conclusões e recomendações

A NBR 5419 estabelece novos conceitos para inspeções, como o uso demicro-ohmímetros com corrente fortepara ensaios de continuidade e a avaliação da resistência de aterramentoatravés de cálculo. Para maior consistência, pode-se utilizar o método daInterseção de Curvas, a fim de se obtervalores medidos para efeito comparativo.

A periodicidade também foi maisclaramente definida: frequência anualpara indústrias situadas em ambientesagressivos, incluindo as localizadasem região litorânea ou as que lidamcom explosivos.

A nova norma suprimiu ainda o valor da resistência de aterramento de 10 ohms, orientando que este seja compatível com o arranjo, dimensões do sistema e resistividade do solo, avaliando os gradientes de potencial no solo.

No exemplo apresentado, foi mostrado um método para inspeções e diagnósticos que destaca a importância da determinação da estratificação da resistividade do solo; da comparação dos valores medidos e calculados da resistência de aterramento; dos resultados dos ensaios de continuidade; e principalmente da interpretação desses resultados junto com as inspeções visuais das condições físicas do sistema de aterramento.

A malha avaliada apresentou uma série de problemas, incluindo número elevado de descontinuidades e diversas estruturas sem aterramento (vigas I dos galpões), o que justifica a resistência de terra acima do valor esperado para uma malha de grandes dimensões e solo de baixa resistividade. Outro problema encontrado foi o comprometimento do retorno da corrente de curto-circuito e a equalização de potenciais entre as áreas — fator particularmente importante para equipamentos sensíveis.

Fig. 5 – Curto-circuito fase-terra em um cabo isolado de média tensão

Na instalação industrial considerada, houve um sinistro com grandes perdas, devido a um curto-circuito fase-terra em um dos cabos isolados de média tensão de um dos alimentadores da planta, conforme mostrado na figura 5.

Uma descontinuidade do sistema de aterramento, no retorno da corrente de curto fase-terra, em um sistema aterrado via resistor, reduziu a IcØT. Desta forma, os relés de proteção não atuaram, causando sobretensões nas fases sãs do cubículo de manobra (da ordem de tensão entre fases para as tensões fase terra) e gerando arco elétrico. Portanto, é de suma importância que nos ensaios de continuidade sejam conferidas todas as interligações do sistema de aterramento com o aterramento do neutro dos transformadores.

Outro ponto importante a ser destacado nas inspeções de aterramento de grandes plantas industriais diz respeito à interligação da malha de terra da subestação principal com a malha de aterramento do processo industrial. Geralmente, deve ser feito um estudo prévio durante o projeto das malhas, a fim de determinar ou não sua interligação, baseando-se na análise das condições de segurança. Por um lado, se a interconexão reduz o GPR do sistema devido ao paralelismo, com consequente redução da resistência de terra, de outro, a interconexão pode ser muito perigosa, pois pode haver transferência de potenciais perigosos para a malha industrial, onde geralmente há locais sem controle de gradientes.

No caso das inspeções, é importante verificar o atendimento às condições impostas pelos estudos. A recomendação ou não de interconexão deve ser verificada nos ensaios de continuidade.

Uma situação extremamente perigosa detectada nas inspeções de grandes malhas é a interligação não-proposital, cujo isolamento foi recomendado em estudos. Citam-se como exemplos mais frequentes uma nova tubulação metálica de água de incêndio com hidrantes da subestação interligada com o processo industrial ou eletrodutos e leitos de cabos também saindo da subestação para o processo industrial.

Referências

NBR 5419-3-2015 Proteção contra descargas atmosféricas Parte 3: Danos físicos a estruturas e perigos à vida.

NR-10 Norma regulamentadora do MTE Instalações e Ser viços com eletricidade.

NBR 7117 Medição da resistividade do solo pelo método de Quatro Pontos Wenner.

Castro, J.: Medição das malhas de aterramento pelo Método da Interseção de Cur vas . Revista Mundo Elétrico, maio/1983.

Trabalho apresentado no XVI Enie - Encontro Nacional de Instalações Elétricas (23 a 25 de agosto, em São Paulo, SP).