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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA

AULA 11 Malhas de Aterramento e SPDA em Subestações Elétricas


A - Malh Malhas as de At Ater errramen amentto em Subestações Elétricas


OBJETIVOS DO ATERRAMENTO ELÉTRICO • Proteger Proteger pessoas pessoas e equipamentos equipamentos contra potenciais potenciais perigosos perigosos que possam se desenvolver na área da subestação; • Fornecer Fornecer um caminho caminho de baixa impedânc impedância ia para a terra terra das correntes de neutro dos circuitos e equipamentos (sistemas conectados com o neutro fortemente aterrado); • Possibilita Possibilitarr um caminho caminho de baixa impedância impedância para a terra terra das correntes de falta, das quais depende a operação dos relés de proteção respectivos; • Descarregar Descarregar para para o potencial de terra terra as partes partes que possam ser ser portadoras de corrente, devido a induções ou falta para terra possíveis de serem tocadas por pessoas; • Possibilita Possibilitarr o escoamento escoamento para a terra das correntes correntes de descargas descargas através dos equipamentos pára-raios e centelhadores; • Possibilita Possibilitarr o escoamento escoamento para a terra das correntes correntes devidas devidas às descargas atmosféricas captadas por pontas e cabos pára-raios.


PARÂMETROS A SEREM DIMENSIONADOS NO CÁLCULO DA MALHA DE ATERRAMENTO • Como Como será será visto visto em outra outra parte parte do curso, curso, a malha malha de de aterra aterramen mento to da subestação subestação deverá deverá ser dimensio dimensionada nada a partir partir da medição medição da resistiv resistividade idade do solo no local da implantação, além de outros dados do sistema elétrico (p. ex.: tempo de eliminação da falta para terra, etc.) e calculados os seguintes parâmetros: • Resistência Resistência de aterrame aterramento nto da malha; • Tens Tensão ão de de pass passo; o; • Tens Tensão ão de de toque toque;; • Tens Tensão ão de mesh mesh • Tensão Tensão transf transferid eridaa • Corrente Corrente de choque de curta curta duração; duração; • Corrente Corrente de choque choque por por tempo tempo indetermi indeterminado. nado.


PARÂMETROS A SEREM DIMENSIONADOS NO CÁLCULO DA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)


SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DA TENSÃO DE PASSO NA MALHA CONFORME NORMA IEEE 80


SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DA TENSÃO DE TOQUE NA MALHA CONFORME NORMA IEEE 80


SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DOS POTENCIAIS DESENVOLVIDOS NO SOLO CONFORME NORMA IEEE 80


PRINCIPAIS COMPONENTES DE UMA MALHA DE ATERRAMENTO Hastes de Aterramento

Tratam-se de eletrodos cravados no solo, constituídos de hastes cilindricas com alma de aço revestidas de uma camada de cobre (copperweld), cantoneiras de aço galvanizadas, etc.


EXEMPLOS DE HASTES DE ATERRAMENTO


EXEMPLOS DE HASTES DE ATERRAMENTO


PRINCIPAIS COMPONENTES DE UMA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.) Conectores de Aterramento

Tratam-se de condutores metálicos, destinados a executar conexões entre os diversos componentes da malha (p. ex.: cabo-haste, cabo-cabo, cabo-estrutura, etc.). Podem ser de cobre eletrolítico ou bronze.


EXEMPLOS DE CONECTORES DE ATERRAMENTO


PRINCIPAIS COMPONENTES DE UMA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.) Cordoalhas de Aterramento

Tratam-se de conexões flexíveis constituídas de fios finos de cobre trançados e estanhados. Aplicam-se ao aterramento de cercas, portões, alavancas de mecanismos de manobra, etc.


EXEMPLOS DE CORDOALHAS DE ATERRAMENTO


PRINCIPAIS COMPONENTES DE UMA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.) Conexões Exotérmicas

Tratam-se de conexões efetuadas a partir de uma reação química exotérmica, onde uma mistura de pó de cobre e pólvora é detonada no interior de um cadinho (molde) de grafite.


EXEMPLOS DE CONEXÕES EXOTÉRMICAS


COMO É EXECUTADA NA PRÁTICA UMA CONEXÃO EXOTÉRMICA



REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA MALHA DE ATERRAMENTO • Todos os componentes metálicos da subestação (estruturas, equipamentos, cercas e portões, etc.), inclusive aqueles localizados na sala de controle, devem ser solidamente conectados à malha de aterramento;


REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.) • Toda estrutura que possa fazer parte integrante do caminho da corrente de falta deverá possuir, no mínimo, 2 pontos de conexão à malha;


REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.) • As tubulações metálicas instaladas na área da subestação devem ser conectadas à malha em um único ponto para se evitar que através das mesmas circulem correntes de falta;


REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.) • Se algum tubo metálico (p. ex.: tubo de água, eletroduto, tubo de gás, etc.) se estender para fora da área da subestação, o mesmo deverá ser interrompido com um trecho de peça isolante, de modo a se evitar que potenciais perigosos sejam transferidos para fora da área da malha e, consequentemente, vitimando pessoas por choque elétrico;

Trecho de Tubulação Isolada

Trecho de Tubulação Metálica


REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.) • Toda malha deve ser coberta com uma camada de 100 mm de espessura de brita. A área da malha deve ser circundada por um meio fio, de modo a delimitar a superfície britada. Em geral, o meio fio é instalado a 1 m de distância externamente ao último condutor da malha; Obs.: a camada de brita, além de funcionar como dreno das águas pluviais, atua como um isolante, haja visto que sua resistividade, quando encharcada é da ordem de 3000 .m;


REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.) • Cravar eletrodos (hastes) de aterramento, preferencialmente do tipo “copperweld ” de dimensões ∅ ¾” x 3000 mm de comprimento. Os locais prioritários são:  cantos da malha;  aterramento de cada para-raios;  neutros transformadores;  neutros dos reguladores de tensão. Obs.: quando a haste se destinar a ponto de medição, protegê-la com uma manilha.


REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.) • Cercas e portões devem ser aterrados utilizando-se cordoalhas flexíveis de cobre estanhado. Instalar eletrodos de aterramento ao longo da cerca, distanciando-os de 50 m entre si. A malha deve ser executada em torno de 1 m para fora da área varrida pelo portão quando de sua abertura. Da mesma forma, o aterramento de dispositivos de manobra das chaves seccionadoras deverá ser efetuado através de cordoalhas flexíveis;


REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.) • Nos locais onde LT’s e RD’s cruzarem a cerca, lançar um cabo de cobre enterrado no piso e ligado a eletrodos (hastes), de modo a facilitar o eventual escoamento de uma corrente de falta para a terra, caso um condutor venha a cair sobre a cerca; Aterramento da cerca

Cabo da malha enterrado no piso Haste de aterramento


REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)

• Se a cerca for de fios de arame farpado, cada fileira deverá ser aterrada utilizando-se fios de cobre nu, os quais deverão ser levados através de um cabo de cobre nu até a haste de aterramento;


REGRAS BÁSICAS PARA ELABORAÇÃO DA MALHA DE ATERRAMENTO (cont.)

• Junto aos mecanismos de manobra das chaves seccionadoras, deverá ser instalada uma chapa xadrez no piso, a qual deverá ser devidamente conectada à malha para equalizar o potencial nos pés do operador;


EXEMPLO DE PARTE DE UM PROJETO DE UMA MALHA DE ATERRAMENTO DE SUBESTAÇÃO


TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE UMA SUBESTAÇÃO • Uma vez concluído o dimensionamento e o projeto da malha de aterramento, a etapa seguinte concentra-se na sua construção. Nessa etapa, é importante a observação dos seguintes elementos: 

arranjo físico da subestação;



locação civil das bases;



bitola do condutor da malha principal;



possíveis interferências no lançamento dos condutores com outras instalações da subestação (p. ex.: sistemas de iluminação, drenagem pluvial, lançamento de eletrodutos, bases, canaletas, etc.)


TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE UMA SUBESTAÇÃO (cont.)

Cavar as valas, com o cuidado de não romper outras instalações (tubulações de iluminação, drenagem, etc.), se existentes.


TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE UMA SUBESTAÇÃO A malha de aterramento é instalada a uma profundidade média de 600 mm em relação ao nível do solo terraplenado.


TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE UMA SUBESTAÇÃO (cont.) Lançar os condutores principais da malha em forma de “meshes ”, deixando os rabichos para a conexão das partes necessárias (estruturas, cercas, equipamentos, etc.).



Cravar as hastes de aterramento.


TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE UMA SUBESTAÇÃO (cont.) Recompactar o solo e lançar a camada de brita.



Aterrar os equipamentos principais (transformadores, para-raios, disjuntores, TP’s, TC’s, chaves, etc.) e estruturas, utilizando-se os rabichos previamente expostos.


TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE UMA SUBESTAÇÃO (cont.) Aterrar as cercas e portões.


TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DA MALHA DE UMA SUBESTAÇÃO (cont.) Aterrar os painéis e demais componentes instalados na sala de controle.


B - Sistemas de Proteção Contra Descargas Atmosféricas em Subestações Elétricas - SPDA -


NECESSIDADE DO SPDA A proteção contra descargas atmosféricas em geral e, particularmente, nas subestações elétricas, assume uma grande importância na continuidade da operação do sistema elétrico. Isto quer dizer que, qualquer interrupção no fornecimento da energia elétrica em decorrência de sobretensões, irá causar sérios inconvenientes de naturezas técnica, social e econômica.


FORMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NAS SUBESTAÇÕES ELÉTRICAS • Basicamente, dispomos das seguintes tecnologias para proteção contra descargas atmosféricas nas subestações elétricas: pontas Franklin (hastes e cabos) → ângulos fixos  modelo eletrogeométrico → esfera rolante  gaiola de Faraday → blindagem eletromagnética  equipamento “para-raios” → proteção contra descargas diretas 

• As recomendações para se projetar os SPDA’s encontram-se nas normas: ABNT NBR-5419; IEEE Std. 998 – 1996; NFPA 780 – 1995.


PONTAS FRANKLIN (HASTES E CABOS)

→

ÂNGULOS FIXOS

• Esta tecnologia é atendida através da aplicação do chamado “efeito das pontas” . Na prática, são utilizados os mastros com pontas nos planos mais elevados da subestação, os quais, associados a cabos de aço (também conhecidos como “cabos para-raios ou cabos guarda” ) formam uma rede compondo uma “blindagem” sob o volume de um cone onde se encontram os equipamentos e instalações que se deseja proteger; • Como mastros, pode-se utilizar as estruturas de chegada e saída de LT’s e RD’s da subestação; caso necessário, a rede de proteção poderá ser complementada pela instalação de mastros adicionais especificamente para esta finalidade; • Esta proteção é a mais adequada onde existirem instalações de grande altura a serem protegidas, como é o caso das subestações e LT’s. • Técnica recomendável apenas para subestações até o nível de 69 kV


EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DAS PONTAS FRANKLIN 1 - MASTROS

Obs.: as cotas, tais como x, y, s, d e h são definidas por norma; Ângulos: α = 45° β=

ELEVAÇÃO

PLANTA

30°ou 45°


EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DAS PONTAS FRANKLIN 2 – CABOS PARA-RAIOS

Obs.: as cotas, tais como x, y, s, d e h são definidas por norma; Ângulos: α = 45° β=

ELEVAÇÃO

PLANTA

30°ou 45°


EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DAS PONTAS FRANKLIN 3 – APLICAÇÃO DOS MASTROS NAS SUBESTAÇÕES

CORTE A - A

PLANTA

CABO PARA-RAIOS


EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DAS PONTAS E CABOS PARA-RAIOS PONTA FRANKLIN

CABO PARA-RAIOS


MODELO ELETROGEOMÉTRICO

→

ESFERAS ROLANTES

• O modelo eletrogeométrico parte da expectativa de que as descargas atmosféricas penetram na subestação em queda vertical; • Em tal modelo, considera-se a proteção para diferentes alturas de mastros protegendo o volume desejado; • A teoria baseia-se em uma esfera com raio “d” chamada “distância de escorvamento” que gira até tocar no(s) mastro(s). A partir daí, o volume

gerado será considerado como a região protegida contra as descargas atmosféricas. • O raio “d” da esfera é função da corrente de descarga Is (KA); • Essa proteção é recomendada para subestação em níveis > 69 kV


EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO MODELO ELETROGEOMÉTRICO

ELEVAÇÃO


EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO MODELO ELETROGEOMÉTRICO

PLANTA

ELEVAÇÃO


EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO MODELO ELETROGEOMÉTRICO (COMPOSIÇÃO DE MAIS DE UM MASTRO)

PLANTA


EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO MODELO ELETROGEOMÉTRICO (COMPOSIÇÃO DE MAIS DE UM MASTRO)

ELEVAÇÃO


EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO MODELO ELETROGEOMÉTRICO (SOLUÇÃO PARA PROTEÇÃO EM UMA SUBESTAÇÃO)

PLANTA


EXEMPLOS DA APLICAÇÃO DO MODELO ELETROGEOMÉTRICO (SOLUÇÃO PARA PROTEÇÃO EM UMA SUBESTAÇÃO)

ELEVAÇÃO


GAIOLA DE FARADAY

→

BLINDAGEM ELETROMAGNÉTICA

• Esta tecnologia é atendida através da aplicação da chamada “blindagem eletromagnética” pesquisada e desenvolvida por Michael Faraday. Na prática, são utilizados pequenos condutores com pontas, associados a uma malha de cabos condutores no topo da edificação. Esses cabos são conduzidos ao sistema de aterramento; • Esta proteção é a mais adequada onde existirem edificações de baixa altura a serem protegidas, como é o caso das salas de controle nas subestações elétricas; • As distâncias da rede de proteção, bem como as descidas e o sistema de aterramento são encontrados na Norma ABNT NBR-5419;


EXEMPLO DA APLICAÇÃO DA GAIOLA DE FARADAY


EQUIPAMENTO “PARA-RAIOS” PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS DIRETAS →

• Tratam-se de componentes do sistema que elétrico que possuem a característica de captar e escoar para o potencial de terra as sobretensões (impulsos gerados por descargas atmosféricas) e surtos de tensão (sobretensões impostas ao sistema elétrico por ele próprio), p. ex.: operação de disjuntores, etc.; • A tecnologia atual dos para-raios utiliza blocos de óxido de zinco (ZnO) encapsulados em suportes isolantes; • A instalação dos para-raios pode ser sobre suporte no piso ou presos aos condutores das linhas de transmissão.

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