NBR 7117 - 2006 (REVISÃO) - MEDIÇÃO DA RESISTIVIDADE E ESTRATIFICAÇÃO ESTRATIFICAÇÃO DO SOLO Procedimento:
1 CB-03 – Comitê itê Brasile ileiro iro de Eletri tricida idade CE-03 – 102.01 – Comissão de Estudo de Aterramento Palavras-chave: Resistividade. Estratificação do solo.
Sumário Prefácio 1. Objetivo 2. Documentos complementares 3. Definições 4. Condições gerais 5. Condições específicas Anexo A - Instruções para aplicação do método de Schlumberger Anexo B - Exemplos de estratificação do solo Anexo C - re-impressão do Anexo C do CE 102.01 - 07 Anexo D - Exemplo de Planilha de Medições
Prefácio
A Associação Brasileira Brasileir a de Normas Técnicas (ABNT) é o Fórum Nacional de Normalização. As Normas Brasileiras Brasileiras cujo conteúdo é de responsabilidade responsabilidade dos Comitês Brasileiros (ABNT/CB) e dos Organismos de Normalização Setorial (ABNT/ONS), são elaboradas por Comissões de Estudo (CE), formadas por representantes dos setores envolvidos, delas fazendo parte: produtores, consumidores consumidores e neutros (universidades, (universidades, laboratórios laboratórios e outros). outros). Os Projetos de Norma Brasileira circulam para Consulta Nacional entre os associados da ABNT e demais interessados. interessados. Esta Norma contém os anexos A e C, de caráter normativo, e os anexos B e D, de caráter informativo. 1. Objetivo
1.1 Esta Norma fixa os critérios e métodos para medição da resistividade e determinação da estratificação do solo. 2. Documentos complementares
Na aplicação aplicação desta Norma é necessário necessário consultar: consultar: NBR 5456 – Eletrotécnica e eletrônica – Eletricidade geral geral - Terminologia. Terminologia. NBR 5460 – Eletrotécnica e eletrônica – Sistemas elétricos de potência – Terminologia. Terminologia. NBR - CE 102.01 102.01 - 07 - Norma de ensaios e medições 3. Definições
Os termos técnicos utilizados utili zados nesta Norma estão definidos de 3.1 a 3.15 e nas NBR 5456, NBR 5460 e NBR - CE 102.01 - 07 . 3.1 Terra de referência: Região do solo suficientemente afastada da zona de influência de um eletrodo ou sistema de aterramento, tal que a diferença de potencial entre dois quaisquer de seus pontos, devido à corrente que circula pelo eletrodo para a terra, seja desprezível. desprezível. É uma superfície praticamente equipotencial equipotencial que que se considera considera como zero zero para referência de tensões elétricas. elétricas. 3.2 Eletrodo de aterramento: Condutor nu ou envolto em material parcialmente condutor (concreto e outros) enterrado no solo com função de dissipação de corrente. 3.3 Condutor de aterramento: Condutor ou elemento metálico, sem contato ou com contato eventual com a terra, que faz a ligação elétrica entre a instalação que deve ser aterrada e o eletrodo de aterramento. 3.4 Sistema de aterramento: Conjunto de todos os eletrodos e condutores de aterramento interligados entre si, assim como partes metálicas que atuem com a mesma função, tais como: pés de torre, armadura de fundações, fundações, estacas metálicas metálicas e outros. outros.
3.5 Aterramento: Ligação intencional de parte eletricamente condutiva à terra, através de uma sistema de aterramento. 3.6 Eletrodo natural de aterramento: Elemento condutor ligado diretamente à terra cuja finalidade original não é de aterramento, mas que se comporta naturalmente como um eletrodo de aterramento. 3.7 Malha de aterramento: Conjunto de condutores nus, interligados e enterrados no solo. 3.8 Potenciais perigosos: Potenciais que podem provocar danos quando aplicados ao elemento tomado com referência. referência. 3.9 Tensão de toque: Diferença de potencial entre uma estrutura metálica aterrada e um ponto da superfície do solo, separado por uma distância horizontal equivalente ao alcance normal do braço de uma pessoa, pessoa, e considerado considerado igual a 1,0 m. 3.10 Tensão de passo: Diferença de potencial entre dois pontos da superfície do solo, separados pela distância de uma passo passo de uma pessoa, considerado considerado igual a 1,0 m. 3.11 Tensão máxima do sistema de aterramento: Tensão máxima que um sistema de aterramento pode atingir relativamente ao terra de referência, quando da ocorrência de injeção de corrente para o solo. 3.12 Resistividade elétrica do solo, resistência específica do solo ou, simplesmente, resistividade do solo: Resistência entre faces opostas do volume do solo, consistindo de um cubo homogêneo e isótropo cuja aresta mede uma unidade de comprimento. 3.13 Resistividade média do solo a uma dada profundidade: Valor de resistividade resultante da avaliação das condições locais e do tratamento estatístico dos resultados de diversas medições de resistividade do solo para aquela profundidade, efetuada numa determinada área ou local, e que possa ser considerado como representativo das características elétricas do solo. 3.14 Resistência de aterramento (de um eletrodo): Resistência ôhmica entre o eletrodo de aterramento e o terra de referência. 3.15 Corrente de interferência (no processo de medição de resistividade do solo): Qualquer corrente estranha ao processo de medição capaz de influenciar seus resultados. 4. Condições gerais
4.1 O solo é um meio geralmente heterogêneo, heterogêneo, de modo que o valor de sua resistividade varia de local para local em função do tipo, nível de umidade, profundidade das camadas, idade de formação geológica, geológica, temperatura, salinidade e outros fatores naturais, sendo também afetado por fatores externos como contaminação e compactação. Exemplos de variação da resistividade em função de alguns destes parâmetros são mostrados na Tabela 1 e na Figura 1.
Tipo de solo
Faixa de resistividades
Alagadiço
até 50
Argila
300 a 5.000
Areia
1.000 a 8.000
Calcáreo
500 a 5.000
Granito
1.500 a 10.000
Basalto
> 10.000 Tabela 1 – Valores típicos de resistividade r esistividade de alguns alguns tipos de solo
Pela tabela 1 pode-se perceber perceber que não é suficiente conhecer o tipo de solo para poder estimar sua resistividade, visto que a variação é muito grande; os principais causadores dessas diferenças estão mostrados nas figuras.
Figura 1 – Variações Variações típicas de resistividade do solo 4.2 O aumento da umidade, da salinidade e da temperatura resultam em diminuição dos valores de resistividade (ver Figura 1). Entretanto, elevações de temperatura a níveis que gerem evaporação evaporação da água resultam em valores maiores de resistividade. 5. Condições específicas 5.1 Medição de resistividade do solo 5.1.1 Considerações gerais
5.1.1.1 A determinação dos valores das resistividades do solo e sua estratificação é de importância fundamental para o cálculo da resistência do aterramento, subsidiando o
desenvolvimento de projetos para sistemas de aterramento, bem como a determinação de seus potenciais de passo e toque. toque. 5.1.1.2 Em geral, o solo é constituído por diversas camadas, cada uma apresentando apresentando um certo valor de resistividade e uma espessura própria. 5.1.1.3 O valor de resistividade do solo é determinado através de medições, cujos resultados recebem um tratamento matemático, de modo a se obter a estratificação do solo em camadas paralelas, de diferentes resistividades resistividades e de espessuras espessuras definidas.
Figura 2 - solo real e solo estratificado 5.1.1.4 Considerando-se, Considerando-se, portanto, a heterogeneidade heterogeneidade do solo, verificada pela variação de sua resistividade à medida que se pesquisa suas camadas, há necessidade de se procurar meios e métodos que determinem essas variações, sem que seja necessário lançar mão de prospecções prospecções geológicas, o que, de certo, inviabilizaria os estudos para implantação de sistemas de aterramento. Assim sendo, foram desenvolvidos métodos de prospecção geoelétricos que se caracterizam pela facilidade operacional e precisão fornecidas. A complexidade adicional causada pelos solos não uniformes é comum, e apenas em poucos casos a resistividade é constantes com o aumento de profundidade, ou seja, homogênea. 5.1.1.5 Basicamente, os métodos que utilizam sondagem elétrica procuram determinar a distribuição vertical de resistividade, abaixo do ponto em estudo, resultando então em camadas horizontais; o princípio é ir de encontro à disposição natural do solo, que é geralmente de camadas horizontais causadas por processos sedimentares, porém é possível encontrar camadas oblíquas e verticais, derivadas de acidentes geológicos, que não serão objeto de estudo desta norma. 5.1.1.6 Dispondo-se de dois eletrodos de corrente, pelos quais se faz circular uma corrente I, e de dois eletrodos eletrodo s de potencial que detectarão uma diferença de potencial V, pode-se mostrar que a resistividade do solo é proporcional a V/I, sendo o fator de proporcionalidade uma função do método empregado. 5.1.2 Metodologia de medição
Utiliza-se o método de quatro pontos, nos arranjos de Wenner ou Schlumberger. 5.1.2.1 Uma medição é definida como o conjunto de leituras obtidas em uma mesma linha, mesma direção de cravamento e diversos espaçamentos entre hastes, conforme 5.1.3.1. 5.1.2.2 A localização dos pontos e das direções das medições dependem da geometria da área e
das características locais. O número mínimo de linhas de medição (A, B, C...) bem como os croquis recomendados para medições em áreas retangulares são apresentados a seguir. Área do terreno [m²]
número mínimo de medições
croquis
S < 1.000
2
A, B
1.000 < S < 2.000
3
A, B, C
2.000 < S < 5.000
4
A, B, C, D
5.000 < S < 10.000
5
A, B, C, D, E
10.000 < S < 20.000
6
A, B, C, D, E, F
Tabela 2 - área do terreno e número mínimo de medições Nota: para áreas acima de 20.000 m², deve-se adicionar, no mínimo, 1 medição para cada 10.000 m² adicionais.
Figura 3 - sugestões de localização das linhas de medição Além da área, outros aspectos devem ser observados na determinação do número de medições, ressaltando-se: - as variações nas características do solo local, devendo-se procurar medir separadamente a resistividade nos diferentes tipos de terreno existentes; - as variações entre os resultados obtidos nos diversos pontos para uma mesma distância entre hastes (quanto maior a discrepância entre os resultados, maior deve ser o número de pontos de medição). Notas: a) Deve também ser considerada a variação sazonal da resistividade do solo, devendo, sempre que possível, ser realizada uma medição no período seco.
b) Pontos de uma mesma área em que sejam obtidos valores de resistividade com desvio superior a 50% em relação ao valor médio das medições realizadas realizadas podem vir a caracterizar uma sub-área específica, devendo deven do ser realizadas medições mediçõ es adicionais ao seu redor, para ratificação ratific ação do resultado; se isso não for possível, considerar a conveniência de descartar o ponto. c) No caso de medições de resistividade próximas a malhas existentes, objetos condutores enterrados ou cercas aterradas, devemos afastar a linha de medições de uma distância igual à do maior espaçamento ‘a’. d) No caso de medição de resistividade ao longo do eixo de linhas de transmissão em fase de projeto, devem ser realizadas, no mínimo, duas medições em direções ortogonais nos pontos escolhidos, que devem coincidir com a localização das torres. Os resultados das medições da resistências para os diversos espaçamentos devem ser anotados em planilha semelhante à proposta no anexo D. 5.1.2.3 Método dos quatros pontos (geral)
É o método mais preciso para medição da resistividade média de grandes volumes de terra. Pequenos eletrodos são cravados no solo a pequenas profundidades, alinhados e espaçados a intervalos não necessariamente necessariamente iguais. A corrente de ensaio I é injetada entre os dois eletrodos externos e a diferença de potencial V é medida entre os dois eletrodos internos com um potenciômetro ou um voltímetro de alta impedância. O arranjo de Wenner é apresentado a seguir, sendo que o de Schlumberger encontra-se descrito no anexo A. 5.1.2.3.1 Método dos quatros pontos igualmente espaçados ou arranjo de Wenner
Figura 4 - Método de 4 pontos, arranjo de Wenner
Neste arranjo os eletrodos são igualmente espaçados espaçados como mostrado na figura. Seja ‘a’ a distância entre dois eletrodos adjacentes e ‘h’ a a profundidade de cravação destes. A resistividade resistividad e em termos de unidades de comprimento no qual ‘a' e e ‘h' são são medidos é:
Fórmula 1 - Wenner, completa Se as hastes forem enterradas a uma profundidade ‘h' que que não exceda 10% do espaçamento ‘a' ou seja, h > a/10 - pode-se verificar que a fórmula 1 fica reduzida a: = 2 . . a . R
Fórmula 2 - Wenner, aproximada, somente para h > a/10 por exemplo, se o espaçamento espaçamento for de 4 metros e as hastes forem forem cravadas 20 20 cm, a fórmula 3 pode ser ser utilizada, mas, se o espaçamento espaçamento for de 1 metro, teríamos teríamos que cravar a haste menos menos de 10 cm, o que geralmente não é suficiente para ter um bom contato com o solo. As hastes do instrumento devem estar sempre firmes e com boa aderência ao solo; solos arenosos ou rochosos podem requerer adição de água ao redor da haste para facilitar o contato elétrico. Um conjunto de leituras, l eituras, tomadas com vários espaçamentos entre hastes, resulta em um conjunto de resistividades que, quando plotadas em função do espaçamento, indica a variação da resistividade com a profundidade. 5.1.3 Quantidade de leituras
Para obter uma precisão aceitável, é necessário efetuar um mínimo de 5 leituras, isto é, 5 espaçamentos entre hastes, para cada linha de medição. 5.1.3.1 Valores dos espaçamentos
Não há um valor valor mínimo de espaçamento espaçamento,, mas costuma-se costuma-se iniciar a tabela tabela com 1 a 2 metros. Os espaçamentos devem estender-se estender- se até a dimensão prevista para a futura malha de aterramento, ou seja, se a malha prevista terá uma extensão ext ensão de 20 metros, devemos ter espaçamentos esp açamentos até a=20.
Figura 5 - exemplo de tabela de espaçamentos
Nota: se possível, possível, os espaçamentos espaçamentos devem devem ser os mesmos nas diversas linhas linhas de medição. medição. 5.1.4 Equipamento de medição 5.1.4.1 Terrômetro
O equipamento comumente utilizado é o terrômetro de quatro pontos, o qual possui uma fonte de corrente alternada e os circuitos de filtragem e medição apropriados para uma leitura sem interferências - vide anexo C.
Figura 6 - aplicação do terrômetro no arranjo de Wenner 5.1.4.2 Medição com gerador
Em alguns casos, como em grandes distâncias, é possível que os terrômetros comercialmente encontrados não sejam suficientes para as medições; pode-se, então, construir um circuito de medição equivalente, com um gerador de corrente e os devidos instrumentos de medição, tomando-se o cuidado de evitar frequências de trabalho que possam ser influenciadas por correntes presentes presentes no solo por outros motivos.
Figura 7 - circuito de medição 5.1.5 Afastamento de condutores enterrados
Se, no mesmo terreno da medição, houver outros condutores enterrados, enterrados, como outras malhas,
tubos metálicos ou armaduras de fundações, estes podem influir no resultado das medições, gerando medidas incorretas. incorret as. Deve-se, então, posicionar as linhas de medição de tal forma que não se aproximem de tais condutores a uma distância inferior ao maior espaçamento espaçamento ‘a’ da linha.
Figura 8 - afastamento mínimo de condutores enterrados No exemplo da figura 8, 8, a linha de medições medições ‘D’ deve ser afastada afastada de uma malha malha existente de uma distância ‘b’ maior do que o maior espaçamento ‘a’ previsto para a linha. 5.2 Estratificação da resistividade do solo 5.2.1 Necessidade da estratificação
Como os métodos de dimensionamento de malhas de aterramento - cálculos de resistência e potenciais - existentes atualmente não trabalham com variações contínuas contínu as da resistividade, é necessário dividir a curva em camadas paralelas, ou estratos. 5.2.2 Critério da precisão do modelamento
Deve-se conseguir um modelamento do solo no qual a curva correspondente não varie, em relação aos dados medidos em campo, mais do que 30% a cada ponto de medição.
Figura 9 - ajuste da curva calculada aos pontos medidos Para todos os pontos:
Fórmula 3 - desvio máximo do valor calculado em relação ao valor medido onde: = valor calculado - valor medido = valor medido 5.2.3 Determinação do número de camadas
Para fins de aterramentos elétricos, usa-se estratificar o solo em uma a quatro camadas. camadas. Pode ser adotada a estratificação estratif icação com o menor número de camadas que atenda à exigência de precisão do item 5.2.2 ou, se a precisão geral for significativamente maior, deve ser adotada a estratificação com maior número de camadas. O número de camadas da estratificação é, matematicamente: Ncam = 1 + Npi Fórmula 4 - número de camadas onde Npi é o número de pontos de inflexão da curva; assim, um solo homogêneo homogêneo terá como curva uma reta, um solo de duas camadas terá uma curva com um ponto de inflexão, etc., ou, visto de outra forma, uma curva com um ponto de inflexão significa um solo de duas camadas - ver apêndice B para exemplos de curvas. O mesmo solo pode ser estratificado em 1, 2, 3 ou 4 camadas, o que vai variar é a precisão
encontrada; então, define-se que, por exemplo, um ‘solo de 3 camadas’ é o solo tal que é necessário um mínimo de 3 camadas para satisfazer a exigência do item 5.2.2. Não é permitido, pelo pelo exposto acima, acima, reduzir artificialmente artificialmente o número número de camadas. camadas. 5.2.3.1 Método computacional
Os métodos computacionais utilizam-se de somatórias infinitas ou de elementos finitos para ajustar os pontos medidos de resistividade a uma curva compatível. Os softwares existentes calculam estratificações em 2 a até 5 camadas. 5.2.3.1.1 Verificação do ajuste
O cálculo dos desvios em relação às medições é parte intrínseca dos métodos numéricos utilizados, sendo comumente disponibilizados numericamente numericamente no relatório do software. Como alternativa, podem ser medidos na curva plotada pelo mesmo. Não serão aceitos relatórios de softwares que não contenh contenham am nem os desvios explicitados de forma numérica nem as curvas com escala e precisão suficientes para verificá-los. 5.2.3.2 Método manual, ou gráfico
O método manual consiste em marcar os pontos medidos em papel logarítmico transparente transpare nte e sobrepô-lo a um conjunto de curvas padrão e auxiliares plotadas na mesma escala, determinando trechos ascendentes e descendentes - os pontos de inflexão ficam no encontro de um trecho ascendente com um descendente ou vice-e-versa. 5.2.3.2.1 Fórmulas para curvas padrão
Fórmula 5 - curvas padrão - Sunde - para arranjo de Wenner em duas camadas, onde: = resistividade medida a = espaçamento 1 = resistividade da primeira camada K(x) = função kernel das camadas J0(y) = função de Bessel de primeira classe de ordem zero x = variável de integração
A função K(x) para duas camadas, segundo Sunde, é:
Fórmula 6 - K(x) segundo Sunde onde k é é o fator de reflexão entre as resistividades das camadas 1 e 2, dado por:
Fórmula 7 - fator de reflexão e H é é a espessura da primeira camada. Para três ou mais camadas é necessária a utilização de curvas auxiliares. 5.2.3.2.2 Verificação do ajuste
Após a plotagem da curva encontrada, deve-se medir os valores e calcular os desvios em cada ponto em relação aos medidos, usando a Fórmula Fórmula 3. Não Não será aceita a estratificação estratificação manual sem a apresentação das curvas finais e a indicação dos desvios.
ANEXO A – Instruções para aplicação do método de Schlumberger
A-1 Introdução Introdução O arranjo de Schlumberger é uma disposição para o método dos 4 pontos onde o espaçamento central é mantido fixo (normalmente igual a 1,0 metro) enquanto os outros espaçamentos variam de forma uniforme. São apresentadas a seguir, instruções para a execução de medição de resistividade do solo, utilizando o método de quatro pontos de acordo com o arranjo de Schlumberger.
Figura A1 – Croquis para medições A-2 Formulação
Fórmula A1 - curvas padrão para arranjo de Schlumberger em duas camadas onde: u = metade do afastamento das hastes de potencial = (1,0) / 2 v = metade do afastamento das hastes de corrente = (a + 1,0 + a) / 2 demais elementos conforme Fórmula 5 (item 5.2.3.2.1)
ANEXO B – exemplos de estratificação do solo
O número de camadas da estratificação é, matematicamente: Ncam = 1 + Npi onde Npi é o número de pontos de inflexão da curva; assim, um solo sol o homogêneo terá como curva uma reta, um solo de duas camadas terá uma curva com um ponto de inflexão, etc., ou, visto de outra forma, uma curva com um ponto de inflexão significa um solo de duas camadas.
Figura B1 - Exemplo de curva para solo homogêneo
Figura B2 - Exemplos de curvas para solo de 2 camadas
Figura B3 - Exemplos de curvas para solo de 3 camadas
Figura B4 - Exemplos de curvas para solo de 4 camadas: Exemplo de um mesmo solo estratificado em 1, 2, 3 e 4 camadas: espaçamento
medição
1 camada
erro
2 camadas
erro
3 camadas
erro
4 camadas
erro
[m]
[Ohm.m]
[Ohm.m]
%
[Ohm.m]
%
[Ohm.m]
%
[Ohm.m]
%
1
532.27 663,08 24,6
661.07 -24.20
532.26 0.00
532.24 0.01
2
653.64 663,08 1,4
660.48 -1.05
653.64 0.00
653.56 0.01
5
842.65 663,08 21,3
656.00 22.15
842.63 0.00
842.57 0.01
8
822.90 663,08 19,4
625.64 23.97
822.87 0.00
822.60 0.04
16
463.95 663,08 42,9 483.33 -4.18 463.97 0.00 Tabela B1 - exemplo comparativo de precisão
463.97 0.00
Os valores da tabela B1 são de um solo real, estratificado via software; soft ware; pode-se notar que os erros são grandes para 1 e 2 camadas, enquanto que, para 3 e 4 camadas, o erro aproxima-se de zero. Neste caso, embora todos os pontos em 2 camadas camadas estejam estejam com valores de erro individualmente menores que 30%, deve-se utilizar a estratificação em 3 camadas, pois os erros são consideravelmente consideravelmente menores.
Figura B5 - gráficos dos ajustes em 3 e 2 camadas da tabela B1
ANEXO C - Terrômetro
[cópia literal do anexo C do CE 102.01 - 07]
ANEXO D - Exemplo de Planilha de Medições
LOCAL: ______________________________________________ DATA DA MEDIÇÃO: ____/____/____ ____/____/____ INSTRUMENTO:_______________________________________ CARACTERÍSTICAS DO SOLO: Terraplenado: Terraplenado: [ ] SIM [ ] NÃO Compactado: [ ] SIM [ ] NÃO Tipo de camada superficial _______________________ Estado aparente de umidade [ ] SECO [ ] ÚMIDO nota: medições não válidas em caso de solo muito úmido! Estação do ano: [ ] SECA [ ] CHUVOSA MEDIÇÕES: Profundidade Profundi dade de cravação das hastes: _________ [m] Valores em: [ ] Ohm [ ] Ohm.m afastamento [m] a
CROQUIS:
valores medidos nas linhas A
B
C
D
média E
F
