Sistemas de aterramento de plantas de geração renovável

*por Paulo Edmundo da Fonseca Freire

A Comissão de Estudo de Aterramentos Elétricos (CE-003:102.001) do Comitê Brasileiro de Eletricidade (ABNT/CB-003) está revisando diversas normas publicadas, visando adequar-se ao avanço tecnológico, bem como elaborar normas atualizadas com as plantas de geração de energias renováveis, que vão refletir os critérios já estabelecidos pela normalização internacional, assim como a experiência adquirida no Brasil com os muitos empreendimentos que têm sido aqui implantados.

As modernas plantas de geração renovável, como parques eólicos e usinas fotovoltaicas, constituem as instalações providas dos maiores sistemas de aterramento, com dimensões que atingem quilômetros. Com relação à topologia do sistema de aterramento, no entanto, cabe destacar que apresentam marcantes diferenças:

• Parques eólicos – topologia linear, definida pelos traçados das linhas de média-tensão (usualmente de 34,5 kV) que interligam aterramentos concentrados nas bases das torres dos aerogeradores;
• Plantas solares – topologia matricial, com uma ampla rede subterrânea de linhas de baixa- tensão (em corrente contínua e alternada) e de média-tensão (usualmente de 34,5 kV), com aterramentos distribuídos por toda a área.

Os parques eólicos encontram-se localizados nos mais diferentes ambientes, seja na beira da praia ou no interior, em planaltos ou no topo de morros, por vezes com grande altitude. Usualmente são constituídos por parques individuais, com potência típica da ordem de 30 MW, que integram um complexo eólico com vários parques interligados à uma subestação coletora de alta-tensão.

É grande a variedade de condições de instalação das usinas fotovoltaicas (UFV), que pode ser anexadas às edificações (residenciais, comerciais e industriais), inclusive nas coberturas de estacionamentos; podem compartilhar áreas próximas com outras plantas geradoras, sejam parques eólicos, sejam usinas hidroelétrica (UFV flutuantes); e podem constituir plantas de geração dedicadas. As UFVs podem ser classificadas em função da potência instalada:

• Microgeração distribuída – com até 75 kW, as UFVs são ligadas às instalações prediais (coberturas de casas, prédios, galpões industriais e estacionamentos), conectadas à rede de distribuição em BT ou MT por meio das instalações das unidades consumidoras;
• Minigeração distribuída (GD) – com até 5 MWp, as UFVs ocupam áreas da ordem de até 14 ha e conectadas à rede de distribuição em média tensão e uma concessionária de distribuição de energia;
• Plantas de grande porte – usualmente com potência instalada acima de 100 MWp, as UFVs ocupam áreas com centenas de hectares, com uma complexa rede interna de baixa tensão e média tensão e usualmente conectadas ao Sistema Interligado Nacional (SIN) por meio de uma subestação coletora em alta tensão (de 138 kV até 500 kV).

Para estas plantas geradoras, é importante estabelecer duas definições, que já constam da revisão da norma ABNT NBR 7117, que são termos utilizados de forma indiscriminada, mas que têm interpretação diferenciada:

• Malha de aterramento – conjunto de eletrodos de aterramento não naturais, interligados e enterrados no solo em uma área limitada pela instalação a ser atendida, destinados especificamente a dissipar correntes elétricas no solo;
• Sistema de aterramento – conjunto de todos os eletrodos e condutores de aterramento interligados, enterrados ou não, assim como partes metálicas que atuam com a função de distribuição e dissipação de correntes elétricas no solo, como pés de torres, armaduras de fundações, estacas metálicas, etc.

No caso da malha de  aterramento,  apesar  de  o  termo  malha ser utilizado, esse conjunto de condutores não precisa necessariamente apresentar a topologia reticulada, típica de uma malha de aterramento de subestação. Cabe lembrar que a malha de aterramento de uma subestação é da ordem de um a dois hectares, enquanto a malha de aterramento de uma UFV pode atingir alguns quilômetros quadrados.

Dentre os sistemas de aterramento de grandes dimensões, cabe destacar:

• Linhas de transmissão, em que os contrapesos de aterramento das estruturas são interconectados pelos cabos para-raios;
• Parques eólicos, onde os aterramentos das torres são interconectados pelos cabos para-raios ou por cabos de aterramento das linhas de média tensão; e
• Usinas fotovoltaicas, em que see tem uma ampla malha de aterramento interligada a centenas ou milhares de estacas das estruturas que suportam os módulos fotovoltaicos.

O desempenho de um aterramento pode ser caracterizado pela sua resistência/impedância, e pelos potenciais na superfície  do solo produzidos quando uma corrente nele injetada é dissipada no solo. Os gradientes destes potenciais  na  superfície  do  solo vão dar origem às conhecidas tensões de passo e de toque, que estabelecem as  condições  de  segurança  humana  do  sistema  de aterramento, quando da ocorrência de faltas para a terra na instalação. A resposta do sistema aterramento a uma injeção de corrente pode ser analisada sob dois pontos de vista:

• Resistência de aterramento – para um evento de baixa frequência, caso de uma falta para a terra no barramento de alta tensão da subestação coletora, ou vista de qualquer ponto da rede de 34,5 kV que atende este tipo de planta de geração renovável;
• Impedância de aterramento – resposta de um ponto do sistema de aterramento a um evento de natureza impulsiva, como a queda de um raio ou a atuação de um para-raios ou de um DPS.

Dois aspectos relativos ao projeto de sistemas de aterramento de dimensão de centenas de metros ou de quilômetros devem ser destacados:

• A necessidade de modelos de solo profundos, com profundidade compatível com a dimensão do sistema a ser projetado, podendo ser necessários modelos de solo com até 2000 m de profundidade (no caso de solos de elevada resistividade);
• A necessidade de simulação do sistema de aterramento para o cálculo do seu desempenho, por meio de um programa que considere a não-equipotencialidade da malha, o que significa dizer, que considere as quedas de tensão que vão ocorrer ao longo dos condutores da malha.

Estes dois aspectos são bastante enfatizados nas normas IEEE e IEC que estabelecem os critérios básicos de projeto de sistemas de aterramento de plantas de geração fotovoltaica. De maneira geral, as normas IEC e IEEE enfatizam que os critérios de projeto aplicáveis a subestações, que tem áreas da ordem de poucas centenas de metros quadrados, não podem ser aplicados da mesma forma para o projeto de instalações que tem áreas de centenas a milhares de metros quadrados.

Paulo Edmundo da Fonseca Freire é engenheiro eletricista, mestre em Sistemas de Potência e Doutor em Geociências. Ex-professor da Universidade Gama Filho, revisor de livros técnicos, instrutor/palestrante de cursos e eventos sobre os temas aterramento e proteção contra descargas atmosféricas e autor de mais de 30 artigos técnicos apresentados em congressos no Brasil e exterior. Consultor de empresas no Brasil, Chile, Itália, Espanha, Alemanha e China. Membro do Cigré e IEEE.