Resistência ou impedância? Parte I

Edição 93 – Outubro 2013
Por Jobson Modena
Colaboração Galeno Gomes*

O subsistema de aterramento, parte integrante do Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosférica (SPDA), destinado a conduzir e dissipar adequadamente as correntes associadas aos raios para o solo, tem sido na prática geralmente avaliado quanto a sua eficiência, por meio de medições com instrumentos de baixa frequência, pelo método da queda de potencial, descrito na norma ABNT NBR 15749:09.

Sendo o valor da resistência de aterramento medida menor ou igual a 10 ?, normalmente este subsistema tem sido considerado como bom e aprovado, com base no item 5.1.3.1.2 da ABNT NBR 5419:2005, o qual especifica que o valor da resistência de aterramento deste subsistema, deve ter um valor de aproximadamente de 10 ?, como forma de reduzir os gradientes de potencial no solo e a probabilidade de centelhamentos perigosos.

Se este tipo de aceitação não sofrer uma melhor avaliação, é, por comparação com a área de saúde, o mesmo, e com os mesmos efeitos posteriores, que medir somente a temperatura corporal, por meio de um termômetro, de um acidentado que chega ao pronto-socorro atropelado por um caminhão, sem na sequência serem executados exames mais aprofundados e específicos, tais como raio x, ultrassom, tomografia e outros.

Portanto, aprofundando neste caso nossa avaliação surgem as seguintes perguntas:

1- Deveremos nos preocupar com o valor da resistência ou com o da impedância do subsistema de aterramento de um SPDA?

2- Onde e como atuar em termos conceituais e em que parâmetros, com o objetivo de tornar a dissipação para o solo das correntes associadas aos raios de forma eficiente e segura, ou seja, que não causem danos às pessoas, animais e às instalações, mesmo que atualmente não tenhamos no mercado nacional medidores de impedância?

3- É suficiente somente a análise do valor da resistência (impedância)?

4- Os instrumentos que são utilizados atualmente nas medições, normalmente de baixa frequência, nos fornecem indicações confiáveis quanto às respostas dos subsistemas de aterramento aos fenômenos transitórios característicos dos raios?

Para respondermos a primeira pergunta devemos iniciar com a análise espectral de uma onda típica associada a um impulso transitório, tais como os que são característicos das descargas atmosféricas, a qual nos deixa claro a presença de altas e baixas frequências (normalmente 5 a 50 kHz mais significativas chegando normalmente até 1 MHz) sendo as altas frequências associadas com as rápidas variações da frente das ondas de corrente, tipicamente (0,2-10 µs) até o valor de pico, (di/dt) elevado, e as baixas frequências associadas ao decaimento do impulso (cauda, onde se concentra a maior energia, di/dt baixo).

O subsistema de aterramento em presença destes impulsos transitórios comporta-se como uma impedância, mais do que simplesmente uma resistência. A resposta, portanto à primeira pergunta é: Devemos nos preocupar com o valor da impedância.

Objetivando o estabelecimento de conceitos que nos possibilitem estabelecer onde e como atuar, e em que parâmetros, visando obter subsistemas de aterramento efetivos quanto a dissipação das correntes associadas aos raios para o solo, a análise do modelo numérico simplificado representativo de uma porção característica de um eletrodo de aterramento horizontal (Figura 1) irá nos proporcionar simples e úteis diretrizes conceituais, que, se aplicadas na prática, irão diminuir a impedância de aterramento, tornando, em conseqüência, mais efetiva a dissipação das correntes impulsivas dos raios para o solo.

Sendo:
(R) Resistência por metro do condutor (eletrodo) de aterramento em (?/m);
(L) Indutância do eletrodo de aterramento em (µH/m);
(C) Capacitância do eletrodo para terra por metro em (µF/m);
(G) Condutância do eletrodo de aterramento para terra por metro em (1/?/m)

A onda típica (simplificada) característica de uma descarga atmosférica (Figura 2) irá nos facilitar a análise quanto ao comportamento impulsivo do eletrodo de aterramento.

Na prática o que realmente importa no caso da dissipação das correntes dos raios para o solo é o que chamamos de impedância característica “Z₀“.

A resposta à segunda pergunta, onde e como atuar, e em que parâmetros virá da análise seguinte:

Para que o subsistema de aterramento seja o mais efetivo possível do ponto de vista da dissipação das correntes impulsivas, torna-se necessário, portanto, se ter um “Z₀“ com o menor valor possível. O que significa que deveremos aplicar certos conceitos e métodos para não só obtermos uma condutância “G” alta (resistência de aterramento baixa), mas também uma capacitância “C” alta, uma indutância “L” e resistência “R”, respectivamente próprias do condutor (eletrodo) também baixas. A assimilação destes conceitos será útil principalmente pelo fato de não termos atualmente no mercado nacional instrumentos que nos possibilitem medir a impedância de aterramento</sp an>. No mercado internacional, existem alguns instrumentos analisadores destinados a este tipo de medição, como será exemplificado.

Para o melhor entendimento dos conceitos a serem aplicados na prática visando a diminuição da impedância destes subsistemas de aterramento, a análise dos diversos parâmetros representativos do eletrodo, representados na Figura 1 e equação (1) diante da solicitação impulsiva, irá nos ajudar:

O efeito da capacitância “C” do subsistema de aterramento predomina durante o crescimento da frente da onda de impulso, rápido aumento da corrente com o tempo (di/dt), a capacitância irá proporcionar um “caminho” para a terra das componentes de alta frequência.

Objetivando facilitar este “caminho”, a capacitância “C” para a terra deve ser maximizada. E como? Resposta: Três conceitos devem ser aplicados:

1) Maximização da superfície de contato dos eletrodos de aterramento com o solo, pelo uso preferencial de condutores com seção retangular, em forma de fita (Figura 3) preferencialmente aos condutores de seção circular;

2) Efetuar o tratamento do solo com produtos não lixiviáveis e com baixíssimo valor de resistividade (≈ 0,2 ?.m), tratamento este que deverá ser executado entre a superfície do eletrodo e o solo e em todo o seu volume de influência.

3) Utilização de eletrodos de aterramento curtos interligados em paralelo no ponto de injeção da corrente (Figura 5) indica a escavação das valetas destinadas à implantação de um eletrodo de aterramento composto de três radiais em paralelo, configuração vulgarmente chamada de “pé de galinha”. Cabe observar que o encapsulamento dos eletrodos de aterramento em concreto, apesar de não ser tão eficiente, como o citado, também pode ser utilizado objetivando não só o aumento da capacitância, como também para criar dificuldades à ação dos amigos do alheio….

Placas metálicas e malhas podem ser utilizadas com o objetivo de diminuição da capacitância “C” apesar de na prática serem um recurso de aplicação menos frequente.

A indutância do subsistema de aterramento predomina durante a rápida variação da corrente com o tempo quando a mesma é injetada no solo (Figura 2). A tensão devido à indutância pode ser calculada por: L(di/dt), alcançando certos casos valores elevados, podendo causar o rompimento da rigidez dielétrica e centelhamentos indesejados.

Como a indutância deve ser minimizada? Resposta: Com a utilização dos seguintes critérios:

1 – A utilização de fitas, adotada no item anterior para maximizar a capacitância irá influenciar também para a diminuição da indutância “L”;

2 – Durante a implantação dos eletrodos de aterramento no solo, não devem ser permitidas curvaturas acentuadas, nos sentidos vertical e horizontal, pois toda a curvatura irá aumentar a indutânica “L” , a (Figura 4) exemplifica este cuidado.

A condutância “G” (resistência de terra R_E = 1/G) é outro parâmetro de particular importância, principalmente na fase de decaimento “cauda” da onda impulsiva característica do raio (Figura 2), onde está concentrado o maior conteúdo energético (joules) do impulso.

A condutância “G” irá depender basicamente não só da resistividade do solo, mas também da resistência de contato entre eletrodo-solo. Como devemos maximizar “G”?

Resposta: Deveremos aplicar critérios que atuem:

1 – Minimizando a resistência de contato eletrodo-solo, o que na prática pode ser obtido pela execução de tratamento do solo com produtos não lixiviáveis de baixíssima resistividade, como citado anteriormente;

2 – Minimizando a resistência de aterramento. A utilização de eletrodos de aterramento múltiplos interligados em paralelo, em configuração radial, “pé de galinha” por exemplo (Figura 5) diversos condutores curtos em paralelo, em vez de um longo, maximizando a condutância. Cabe observar que devido ao efeito skin a circulação das correntes associadas aos raios se processa preferêncialmente e naturalmente pela periferia dos condutores e do solo, como pode ser comprovado pelas Figuras 6 e 7. A Figura 6 mostra o impacto de um raio que atingiu o solo de um campo de golfe em St. Paul, Minessota [4], a dissipação de forma radial foi a escolha natural para dissipação da corrente, o que nos encoraja ainda mais quanto a utilização das configurações radiais. Além desta tendência, devemos também observar o fato de que a corrente não se dissipou profundamente e sim mais pela superfície, conforme pode ser comprovado pela Figura 7, que representa o chamado fulgurito (do latim fulgor “raio”) ou “ pedra do raio” que nada mais é do que uma modificação das areias quartzosas, representadas por corpos vitrificados devido a fusão da sílica por onde a corrente associada ao raio atinge e circula pelo solo, à uma temperatura de aproximadamente cinco vezes a temperatura da superfície do sol ( ≈ 30.000 °C).

Aprendendo com os fenômenos naturais: Eletrodos de aterramento com várias radiais curtas em formato de fita e não muito profundas irão atender as expectativas dos raios.

Conforme a análise anterior, a aplicação desses conceitos irão minimizar a impedância
de surto “Z₀”, possibilitando uma adequada dissipação das correntes do raio. A importância de seu conhecimento é maximizada pelo fato de não termos atualmente instrumentos de fabricação nacional que nos possibilitem medir o valor de “Z₀”.

Internacionalmente podemos encontrar alguns analisadores destinados a execução de medições que nos indiquem melhor, mesmo que de uma maneira aproximada os valores de impedância, do que os instrumentos de baixa frequência atualmente disponíveis, que só nos indicam o valor da resistência. Um destes analisadores “Earth System Analyser-ESE 1000”, importado da Austrália (da Erico Lightinig Technologies de Hobart), foi utilizado pelo autor no ano de 2002, (Figura 8).

Dependendo das condições do local o analisador é programado para injetar um pulso de corrente de 1 a 5 A no ponto do eletrodo de aterramento, onde se deseja medir a impedância com uma tensão de 10 a 250 V (pico), estes valores são medidos, armazenados e utilizados para calcular a impedância de impulso (Zi) do sistema de aterramento sob ensaio, as quais podem ser medidas numa faixa de 1,5 à 250 ?.

A leitura é dada em (Zi) = Vp/Ip

Em que:

(Zi) = Impedância de impulso (?);
(Ip) = Corrente impulsiva injetada no ponto de ensaio, valor de pico;
(Vp) = Valor de pico da voltagem devido à corrente injetada (Ip).

Foram executadas diversas medições em sistemas de aterramento destinados a descargas atmosféricas em sites de telecomunicações e abrigos ferroviários “houses” utilizando-se instrumentos de baixa frequência (normalmente encontrados no mercado nacional) e o analisador ESE 1000, os resultados comprovaram os conceitos e critérios anteriormente caracterizados. Com base no analisado e nas medições feitas com o ESE 1000, podemos finalmente concluir:

1 – É recomendado para a dissipação de correntes associadas aos raios o uso de condutores de aterramento com seção retangular, em forma de fita preferencialmente aos de seção circular. As fitas também irão também reduzir o aumento da resistência intrínseca devido as altas frequências (efeito skin). Para se ter uma ideia os condutores redondos são dez vezes mais resistivos do que as fitas para frequências de 1 kHz, sendo que esta diferença aumenta ainda mais com o aumento da frequência;

2 – É recomendado a implantação de diversos eletrodos de aterramento curtos em paralelo, interligados no ponto de injeção da corrente, em vez de um condutor longo. O comprimento efetivo deve ser respeitado;

NOTA: Na bibliografia técnica existem expressões analíticas para o cálculo do comprimento efetivo, que é aquele comprimento do eletrodo de aterramento que realmente atua na e para a dissipação da corrente do raio para o solo, o qual é função basicamente da resistividade do meio onde o eletrodo está implantado, do tempo (T1) que a onda leva para atingir a crista em µs (tempo de frente) e o próprio valor de pico da corrente do raio.

3 – Nos dois casos citados anteriormente, é recomendado o uso de componentes não lixiviáveis de baixíssima resistividade, para tratar o solo na região de contato
eletrodo-solo e em todo o volume de influência do eletrodo, este tratamento tem como principal objetivo a diminuição do (Z₀);

4 – A utilização conjunta de hastes e eletrodos de aterramento horizontais em forma de fitas, radiais múltiplas é recomendada (Figura 3);

5 – Para avaliarmos a verdadeira resposta de um subsistema de aterramento submetido a solicitações transitórias, as medições devem indicar além do parâmetro resistivo, quais os efeitos dos elementos indutivos e capacitivos. Como os instrumentos tradicionais utilizados normalmente nestas medições utilizam baixa frequência, pois para as medições os sinais injetados possuem um nível muito baixo de (di/dt), pois a maioria destes medidores usam ondas alternadas com baixas frequências, tais como 1610, 1470, 310 Hz e outras. Daí mais um dos motivos para darmos importância para a assimilação dos conceitos anteriormente analisados;

6 – Não devemos nos fixar nem respaldar nossos laudos com base em simples e puros valores de resistência obtidos através de medições com instrumentos de baixa frequência, mesmo que esses valores sejam muito menores do que o valor máximo permitido pela norma (valor este com os dias contados). Novamente uma comparação com a área de saúde: deveremos atuar como “engenheiros holísticos”, isto é analisar o paciente com uma visão integral e um entendimento geral dos fenômenos envolvidos, antes de fornecer o diagnóstico!

Referências bibliográficas  

• Earth Systems Analyser – ESE – 1000 (Erico Ligthning Technologies-Hobart)

• “Direct Strike – Lightning Protection- Catalogo Erico

• Artigo “Sistema de Aterramento e Protecao Contra Raios Utilizando Ferragens do concreto Armado”, Eng° Galeno Lemos Gomes

• NEWCOTT, William R. Lightning nature´s high – voltage spectacle. National Geographic, jul.1993.

• GOMES, Galeno Lemos. Impedance measurements, grounding and protection criteria in telecommunication site and rail road bungalows. International Conference on Grounding and Earthing. Ground 2002, Rio de Janeiro, 4-7 nov. 2002

 

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*Este artigo é uma contribuição do engenheiro Galeno Lemos Gomes, diretor da Galeno Gomes Engenharia, Consultoria e Treinamento.