A efetividade (limitada!) dos eletrodos de aterramento para as correntes dos raios. Ou você ainda acredita em equalização de potencial? – Parte 01/04

Trazemos nesta edição a primeira de quarto partes do artigo do professor Antônio Roberto Panicali, da Proelco, sobre aterramento e equipotencialização, trabalho originalmente apresentado no CINASE-SP em 2018.

Resumo: é comum pensarmos que malhas de aterramento visem, sobretudo, à equalização de potenciais, mesmo quando submetidas à ação dos mais variados tipos de sinais e/ou perturbações: curto-circuito, descargas atmosféricas etc. Nesse trabalho, procuraremos descrever, com base em modelos simplificados, como malhas de terra se comportam, particularmente sob a ação de sinais impulsivos (como raios) ou de alta frequência (>>60 Hz como transitórios de manobras de chaveamento em redes de distribuição etc.). Como será mostrado, a função de equalização de potencial de uma malha de terra, por menor que seja sua resistência, fica restrita à frequências (60Hz e poucas harmônicas).

Observação importante: os resultados apresentados nesse trabalho se baseiam em modelos simplificados embora traduzam com razoável fidelidade os fenômenos físicos mais relevantes; para um tratamento mais rigoroso sugerimos, por exemplo as referências [3 e 4].

Introdução

Eletrodos de aterramento são estruturas metálicas (hastes, cordoalhas, canos metálicos, radiador de carro, trilhos etc.) em contato elétrico direto com o solo ou imersas em materiais pouco resistivos, como bentonita ou ainda encapsuladas em concreto como nas estacas de fundações e vigas baldrames.

Historicamente, eletrodos de aterramento estão ligados a três áreas de aplicação:

1. a) desde fins do século XIX, na proteção contra falhas de isolação nas redes de distribuição de energia elétrica, envolvendo baixas frequências (em corrente contínua ou 50/60 Hz e harmônicas e, mais modernamente, transitórios de alta frequência decorrentes de manobras de chaveamento e curtos nas linhas de distribuição);
2. b) escoamento das descargas atmosféricas (raios) para a Terra: nesse caso, as frequências envolvidas abrangem desde praticamente 0 Hz até 10 MHz (na realidade, o espectro dos raios se estende muito além, envolvendo inclusive a emissão de raios-X e até mesmo de raios gama, porém sem efeito significativo sobre os aterramentos!);
3. c) embora não sendo tema do presente trabalho, malhas de terra com configurações especiais são também empregadas para melhorar o desempenho de antenas nas faixas de AM, OC e VHF.

Como descrito nas seções seguintes, devido às diferentes faixas de frequências envolvidas em cada caso, malhas de aterramento podem apresentar comportamentos elétricos totalmente diferentes, seja em termos de impedância, seja na distribuição de potenciais, resultante na superfície do solo.

Nesse trabalho apresentamos alguns modelos simplificados que permitem entender o comportamento elétrico de malhas aterramento em função de sua geometria, tipo de solo e pontos de conexão com elementos do SPDA (Sistema de Proteção de Descargas Atmosféricas) e das instalações elétricas (BEP: Barramento de Equipotencialização Principal).

Raios: características gerais

Raios ascendentes (geralmente partem de estruturas altas e/ou topo de morros em direção às nuvens carregadas) ou descendentes (começam em nuvens tipo cumulonimbus ou Cb´s) os quais, com ou sem a presença de eletrodos de aterramento, se conectam com o solo onde podem depositar grandes quantidades de cargas elétricas (tipicamente<200 C ultrapassando, em alguns casos, 500 C!!).

Quando presentes e devidamente dimensionados, eletrodos de aterramento possibilitam que o escoamento das cargas dos raios se dê de forma controlada, minimizando efeitos danosos tais como:

• aquecimento excessivo e possível vitrificação do solo, o qual se torna isolante após o resfriamento;
• redução das tensões de passo e de toque a níveis seguros para seres vivos;
• escoamento para o solo, através de DPSs (Dispositivos Protetores de Surtos), de descargas incidentes em cabos de energia e/ou de sinais (telecomunicações, controle, sinais, etc.) ou na própria instalação.

Continua na próxima edição.