ATERRAMENTO ELÉTRICO
Autor: CESAR LUIZ | Publicado: 2013-01-02T21:12:00-08:00

01 - Mas o que é o “terra”?

02 - Qual a diferença entre terra,  neutro, e massa(Carcaça do Equipamento)?

03 - Quais são as normas que devo seguir para garantir um bom aterramento?



01 - O aterramento elétrico (‘’Terra’’) tem três funções principais:

A  –  Proteger o usuário do equipamento das descargas atmosféricas, através da viabilização (qualidade) de um caminho alternativo para a terra, de descargas atmosféricas.
B  – “Descarregar” cargas estáticas acumuladas nas carcaças das máquinas ou equipamentos para a terra.
C  – Facilitar o funcionamento dos dispositivos de proteção (fusíveis, disjuntores, etc.), através da corrente desviada para a terra.

02 - Antes de falarmos sobre os tipos de aterramento, devemos esclarecer (de uma vez por todas !) o que é terra, neutro, e massa. 
  Essa alimentação é fornecida pela concessionária de energia elétrica, que somente liga a caixa de entrada ao poste externo se  houver uma haste de aterramento padrão dentro do ambiente do usuário.     
   Além disso, a concessionária também exige dois disjuntores de proteção.
Teoricamente, o terminal neutro da concessionária deve ter potencial igual a zero volt. Porém, devido ao desbalanceamento nas fases do transformador de distribuição, é comum esse terminal (Neutro) tender a assumir potenciais diferentes de zero. O desbalanceamento de fases ocorre quando temos por exemplo o som bifásico (2 fases) ou monofásico (1 fase e Neutro) e as luzes trifásicas, ligadas em um mesmo link (transformador) .
 Pode ver se todo seu sistema esta desbalanceado ou não  com um alicate amperímetro , medindo fase por fase .
   Outro exemplo é um transformador que alimenta, em um setor seu, uma residência comum (fase 1) , e no outro setor, um pequeno supermercado (fase 2) . Essa diferença de demanda, em um mesmo link (transformador) , pode fazer com que o neutro varie seu potencial (flutue) .
  Para evitar que esse potencial “flutue”, ligamos (logo na entrada) o fio neutro a uma haste de terra. Sendo assim, qualquer potencial que tender a aparecer será escoado para a terra.

                         definição:

  O neutro é um “condutor” fornecido pela concessionária de energia elétrica, pelo qual há o “retorno” da corrente elétrica.

  O terra é um condutor construído através de uma haste metálica e que, em situações normais, não deve possuir corrente elétrica circulante.

 Resumindo: A grande diferença entre terra e neutro é que, pelo neutro há corrente circulando, e pelo terra, não. Quando houver alguma corrente circulando pelo terra, normalmente ela deverá ser breve, isto é,  desviar uma descarga atmosférica para a terra, por exemplo.   O fio terra, por norma, vem identificado pelas letras PE, e deve ser de cor verde e amarela. Notem ainda que ele está ligado à carcaça do PC.
   A carcaça do PC, ou de qualquer outro equipamento é o que chamamos de “massa” (toda a caixa metálica do equipamento).

A  ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) possui uma norma que rege o campo de instalações elétricas em baixa tensão. Essa norma é a NBR 5410, a qual, como todas as demais normas da ABNT, possui subseções. As subseções : 6.3.3.1.1, 6.3.3.1.2, e 6.3.3.1.3 referem-se aos possíveis sistemas de aterramento que podem ser feitos . Os três sistemas da NBR 5410 mais utilizados  são :


A – Sistema TN-S :
 Notem pela figura 2 que temos .
  O neutro é aterrado logo na saída do transformador , e levado até a carga . Paralelamente , outro condutor identificado como PE é utilizado como fio terra , e é conectado à carcaça (massa) do equipamento.




  B – Sistema TN-C:
Esse sistema, embora normalizado, não é aconselhável, pois o fio terra e o neutro são constituídos pelo mesmo condutor. Dessa vez, sua identificação é PEN (e não PE, como o anterior). Podemos notar pela figura 3 que, após o neutro ser aterrado na entrada, ele próprio é ligado ao neutro e à massa do equipamento.




C – Sistema TT :
Esse sistema é o mais eficiente de todos. Na figura 4 vemos que o neutro é aterrado logo na saída e segue (como neutro) até a carga (equipamento). A massa do equipamento é aterrada com uma haste própria, independente da haste de aterramento do neutro.





“Mas qual desses sistemas deve utilizar na prática?”
 
  Geralmente, o próprio fabricante do equipamento especifica qual sistema é melhor para seu equipamento, porém como regra geral, temos:


 (a) Sempre que possível, optar pelo sistema TT (fig 4) em 1º lugar.

 (b) Caso, por razões operacionais e estruturais do local, não seja possível o sistema TT, optar pelo sistema TN-S (Fig 2) .

 (c) Somente optar pelo sistema TNC (Fig 3) em último caso, isto é, quando realmente for impossível estabelecer qualquer um dos dois sistemas anteriores.



REGRAS PRÁTICAS DE PROCEDIMENTOS

   Os cálculos e variáveis para dimensionar um aterramento podem ser considerados assuntos para “pós – graduação em Engenharia Elétrica”, por exemplo, a resistividade e tipo do solo, geometria e constituição da haste de aterramento, formato em que as hastes são distribuídas etc, são alguns dos fatores que influenciam o valor da resistência do aterramento.


Vão aqui algumas “dicas” que, com certeza, irão ajudar:

(A) -  Haste de aterramento: A haste de aterramento normalmente, é feita de uma alma de aço revestida de cobre. Seu comprimento pode variar de 1,5 a 4,0m. As de 2,5m são as mais utilizadas, pois diminuem o risco de atingirem dutos subterrâneos em sua instalação.

 (B) -  O valor ideal para um bom aterramento deve ser menor ou igual a 5W (ohms). Dependendo da química do solo (quantidade de água, salinidade, alcalinidade, etc.), mais de uma haste pode se fazer necessária para nos aproximarmos desse valor 5W (ohms).
 
   Caso isso ocorra, existem duas possibilidades : tratamento químico do solo (que será analisado mais adiante), e o agrupamento de barras em paralelo. Uma boa regra para agruparem-se barras é a da formação de polígonos.


  A figura 5 mostra alguns passos. Notem que, quanto maior o número de barras, mais próximo a um círculo ficamos. Outra regra no agrupamento de barras é manter sempre à distância entre elas, o mais próximo possível do comprimento de uma barra.



  É bom lembrar  que essas são regras práticas. Como dissemos anteriormente, o dimensionamento do aterramento é complexo, e repleto de cálculos.



MEDINDO O TERRA

   O instrumento clássico para medir a resistência do terra é o terrômetro. Esse instrumento possui 2 hastes de referência, que servem como divisores resistivos conforme a figura 6 .
  Na verdade, o terrômetro “injeta” uma corrente pela terra que é transformada em “quedas” de tensão pelos resistores formados pelas hastes de referência , e pela própria haste de terra.
Através do valor dessa queda de tensão, o mostrador é calibrado para indicar o valor ôhmico da resistência do terra.


   Uma grande dificuldade na utilização desse instrumento é achar um local apropriado para instalar as hastes de referência.

  Normalmente, o chão são feitos de concretos  e  com certeza, fazer dois “buracos” no chão (muitas vezes até já pintado ou construído com muitos detalhes) não é algo agradável .

 Infelizmente, caso haja a necessidade de medir-se o terra . Não temos outra opção a não ser essa .

Mas podemos ter uma idéia sobre o estado em que ele se encontra sem medi-lo propriamente .

  A figura 7 mostra esse “truque” .


     Em primeiro lugar escolhemos uma fase qualquer, e a conectamos a um pólo de uma lâmpada elétrica comum. 
   Em segundo lugar, ligamos o outro pólo da lâmpada na haste de terra que estamos analisando. Quanto mais próximo do normal for o brilho da lâmpada , mais baixa é a resistência de terra .

  Caso  você queira ser mais preciso , imaginem um exemplo de uma lâmpada de 127 volts por 100 W (Sendo a rede  127v  fase-neutro).

  Podemos medir a corrente elétrica que circula por ela com um AMPERIMETRO, que para um “terra” considerado razoável, essa corrente deve estar acima de 600 mA . .

  Se você não tiver um AMPERIMETRO ou quer fazer outra medição , podemos utilizar um VOLTIMETRO em uma escala de AC como mostra figura 7a.



            Meça a tensão da rede entre a fase e o neutro. Em seguida, ligue uma lâmpada normal (aproximadamente 60W) com tensão correta  entre a fase e o neutro , e meça a tensão sobre a lâmpada conforme mostra figura 7a.
            Compare então as duas tensões medidas e calcule a diferença entre elas, que não deve ser inferior a 8% !!

Exemplo :

    Numa tomada 127v (fase e neutro), ligamos uma lâmpada de 127v - 60W no terra e fase , quando meço entre terra e fase (fig  7a) , esta tensão não pode ser menos que 8% da tensão entre  fase-neutro  , em torno de 10v .

Caso esteja abaixo, é sinal que o aterramento não está suficientemente bom.

  Cabe lembrar a  você que , essa prática é apenas um artifício (para não dizer macete) com o qual podemos ter uma idéia das condições gerais do aterramento  (haste do terra) .
 
  Em hipótese alguma esse método pode ser utilizado para a determinação de um valor preciso .


IMPLICAÇÕES DE UM MAU ATERRAMENTO


  Ao contrário do que muitos pensam, os problemas que um aterramento deficiente pode causar não se limitam apenas aos aspectos de segurança, que é o mais importante.

    É bem verdade que os principais efeitos de uma máquina mal aterrada, são choques elétricos ao operador, e resposta lenta (ou ausente) dos sistemas de proteção (fusíveis, disjuntores, etc...).

    Mas outros problemas operacionais podem ter origem no aterramento deficiente.
    Abaixo segue uma pequena lista , caso alguém se identifique com algum desses problemas, e ainda não checou seu aterramento, está aí a dica:

 - Quebra de comunicação entre máquina e PC (DMX, CPL, CNC, etc...) em modo on-line. Principalmente se o protocolo de comunicação for RS 232. 

- Excesso de EMI gerado (interferências eletromagnéticas) ruídos  .

- Aquecimento anormal das etapas de potência (inversores, conversores, etc...), e motorização.

- Em caso de computadores pessoais e equipamentos digitais, funcionamento irregular com constantes “travamentos”.

- Falhas intermitentes, que não seguem um padrão.

 - Queima de CI’s ou placas eletrônicas sem razão aparente , mesmo sendo elas novas e confiáveis.

- Para equipamentos com monitores de vídeo, interferências na imagem e ondulações podem ocorrer.


TIPOS DE ELEMENTOS PARA ATERRAMENTO

  As características químicas do solo (teor de água , quantidade de sais , etc...) influem diretamente sobre o modo como escolhemos o eletrodo de aterramento.

  Os eletrodos mais utilizados na prática são:

  01 -  Hastes de aterramento
  02  - Malhas de aterramento
  03 - Estruturas metálicas das fundações de concreto.


  01 - Haste de aterramento


  A haste pode ser encontrada em vários tamanhos e diâmetros . O mais comum é a haste de 2,5 m por 0,5 polegada de diâmetro.
 Não é raro , porém, encontrarmos hastes com 4,0 m de comprimento por 1 polegada de diâmetro.

 Cabe lembrar que, quanto maior a haste , mais riscos corremos de atingir dutos subterrâneos (telefonia, gás , etc...) na hora da sua instalação.
  
    Normalmente , quando não conseguimos uma boa resistência de terra (abaixo de 10W) , agrupamos mais de uma barra em paralelo (veja Fig 5).
 
    Quanto à haste , podemos encontrar no mercado dois tipos básicos :

       Copperweld  (haste com alma de aço revestida de cobre)
       Cantoneira    (trata-se de uma cantoneira de ferro zincada , ou de alumínio) .



  02 - Malhas de aterramento

  A malha de aterramento é indicada para locais cujo solo seja extremamente seco.
 
  Esse tipo de eletrodo de aterramento, normalmente, é instalado antes da montagem do contra-piso do prédio, e se estende por quase toda a área da construção.
 
  A malha de aterramento é feita de cobre, e sua “janela” interna pode variar de tamanho dependendo da aplicação, porém a mais comum está mostrada na figura 8 .


  No caso de sonorização este tipo de elemento e mais usado em estúdio , mesmo tendo o solo uma  boa resistência  .


   03 - Estruturas metálicas

   Muitas instalações utilizam as ferragens da estrutura da construção como eletrodo de aterramento elétrico. (figura 9).


    Mais adiante veremos que, quando isso vier a ocorrer, deveremos tomar certos cuidados.  



    Resumindo, qualquer que seja o eletrodo de aterramento (haste, malha, ou ferragens da estrutura), ele deve ter as seguintes características gerais:

   - Ser bom condutor de eletricidade.
   - Ter resistência mecânica adequada ao esforço a que está submetido.
   - Não reagir (oxidar) quimicamente com o solo.

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PROBLEMAS COM ATERRAMENTO ELÉTRICO LIGADO AO “PÁRA–RAIOS”


   Tanto os locais que empregam malha de aterramento ou as estruturas prediais, como terra, normalmente apresentam um inconveniente que pode ser extremamente perigoso : a conexão com o pára – raios .
 

Notem pela figura 10, que temos um exemplo de uma malha de terra ligada ao pára – raios , e também aos demais equipamentos eletroeletrônicos. 



                                                         fig – 10



    Essa é uma prática que devemos evitar ao máximo, pois nunca podemos prever a magnitude da potência que um raio pode atingir.


    Dependendo das condições, o fio terra poderá não ser suficiente para absorver toda a energia, e os equipamentos que estão junto a ele podem sofrer o impacto (figura 11) .
 




 Portanto, nunca devemos compartilhar o fio terra de pára – raios com qualquer equipamento eletroeletrônico.




TRATAMENTO QUÍMICO DO SOLO

      Um aterramento elétrico é considerado satisfatório quando sua resistência encontra-se abaixo dos 10 W. Quando não conseguimos esse valor, podemos mudar o número ou o tipo de eletrodo de aterramento.
  
     No caso de haste, podemos mudá-la para canaleta (onde a área de contato com o solo é maior), ou ainda agruparmos mais de uma barra para o mesmo terra (Veja fig 5). Caso isso não seja suficiente, podemos pensar em uma malha de aterramento.
    
    Mas imaginem um solo tão seco que, mesmo com todas essas técnicas, ainda não seja possível chegar-se aos 10 W. Nesse caso a única alternativa é o tratamento químico do solo.
    O tratamento do solo tem como objetivo alterar suas constituições químicas, aumentando o teor de água e sal e, conseqüentemente melhorando sua condutividade.
   

  Obs : O tratamento químico deve ser o último recurso, visto que sua durabilidade não é boa.

   O tratamento químico tem uma grande desvantagem em relação ao aumento do número de hastes, pois a terra, aos poucos, absorve os elementos adicionados. Com o passar do tempo, sua resistência volta a aumentar, portanto, essa alternativa deve ser o último recurso.

    Temos vários produtos que podem ser colocados no solo antes ou depois da instalação da haste para diminuirmos a resistividade do solo.
   A Bentonita e o Gel são os mais utilizados. De qualquer forma, o produto a ser utilizado para essa finalidade deve ter as seguintes características :

          - Não ser tóxico
          - Deve reter umidade
          - Bom condutor de eletricidade
          - Ter pH alcalino (não corrosivo)
          - Não deve ser solúvel em água

   Uma observação importante no que se refere a instalação em baixa tensão é a proibição (por norma) de tratamento químico do solo para equipamentos a serem instalados em locais de acesso público (colunas de semáforos, caixas telefônicas, controladores de tráfego, ou qualquer local de aceso a população ...). Essa medida visa a segurança das pessoas nesses locais.


    O produto mais utilizado para esse tratamento é o Erico - gel , e os passos para essa técnica são os seguintes :


1º passo : Cavar um buraco com aproximadamente 50 cm de diâmetro, por 50 cm de profundidade ao redor da haste. 



                2º passo : Misturar metade da terra retirada , com Erico – gel.



               3º passo : Jogar a mistura dentro do buraco.




              4º passo : Jogar, aproximadamente , 25 l de água na mistura que está no buraco.




              5º passo: Misturar tudo novamente.




             6º passo : Tampar tudo com a terra “virgem” que sobrou.




     Podemos encontrar no mercado outros tipos de produtos para o tratamento químico (Bentonita , Earthron , etc.), porém o Erico –  gel é um dos mais modernos.
     Suas principais características são: Ph alcalino (não corrosivo), baixo resistividade elétrica, não é tóxico, não é solúvel em água (retém a água no local da haste).


BITOLA E CONEXÃO DO FIO TERRA

    Ter uma boa haste ou um solo favorável não basta para termos um bom aterramento elétrico. As conexões da haste com os cabos de terra , bem como a bitola do cabo terra também contribui muito para a resistência total de aterramento.

     No que se refere à bitola do fio terra , ela deve ser a maior possível.
     Temos abaixo uma regra prática que evita desperdícios, e garante um bom aterramento.

Para:
Sf < 35 mm² ® St = 16 mm²
Onde:
Sf = a seção transversal dos cabos (fios) de alimentação do equipamento (fases).
St = a seção transversal do fio terra.

     Notem que para diâmetros inferiores a 35 mm² para as fases , temos o fio terra de 16 mm² . Já para diâmetros iguais ou acima de 35 mm², o fio terra deverá ter seção transversal igual à metade da seção dos cabos de alimentação, ou seja, para cabos de alimentação 90mm²  temos cabos para o terra, de 45mm²    .

   Quanto a conexões, devemos optar em 1º lugar pela fixação por solda do fio terra à haste . Isso evita o aumento da resistência do terra por oxidação de contato .

  Caso isso não seja possível, poderemos utilizar anéis de fixação com parafusos.
  Nesse caso porém , é conveniente que a conexão fique sobre o solo , e dentro de uma caixa de inspeção.





EMI (Interferência Eletromagnética)
  
   Qualquer condutor de eletricidade ao ser percorrido por uma corrente elétrica, gera ao seu redor um campo eletromagnético.

   Dependendo da freqüência e intensidade da corrente elétrica, esse campo pode ser maior ou menor.

   Quando sua intensidade ultrapassa determinados valores, ela pode começar a interferir nos outros circuitos próximos a ele.
    Esse fenômeno é a EMI (interferência eletromagnética).

    Na verdade, os efeitos da EMI (interferência eletromagnética) começaram a ser sentidos na 2º Guerra Mundial. As explosões das duas bombas atômicas sobre o Japão irradiaram campos eletromagnéticos tão intensos, que as comunicações de rádio na região ficaram comprometidas por várias semanas.

    Atualmente, os circuitos chaveados (fontes de alimentação, inversores de freqüência, reatores eletrônicos, etc.) são os principais geradores de EMI (interferência eletromagnética).

   O “chaveamento” dos transistores (PWM) em freqüências de 2 a 30 kHz geram interferências que podem provocar o mau funcionamento de outros circuitos próximos, tais como CPUs, e dispositivos de comunicação (principalmente RS 232).

     Podemos perceber a EMI (interferência eletromagnética) em rádios AM colocados próximos a reatores eletrônicos de lâmpadas fluorescentes, principalmente nas estações acima dos 1000 KHz.

     Uma das técnicas para atenuar a EMI (interferência eletromagnética) é justamente um bom aterramento elétrico, como veremos a seguir.



ATERRAMENTO NA COMUNICAÇÃO SERIAL RS232

Obs : É bom lembrar que a comunicação RS232 é quase o mesmo padrão do DMX512.
  
    Os sistemas de comunicações seriais como RS 232 são especialmente sensíveis à EMI (interferência eletromagnética) . A RS 232 utiliza o terra dos sistemas comunicantes como referência para os sinais de transmissão ( TX ) e recepção ( RX ).

   Caso haja diferenças de potenciais entre esses terras, a comunicação poderá ser quebrada. Isso ocorre quando o terra utilizado como referência não está dentro do valor ideal (menor ou igual a 5W), portanto o fio terra serve como uma “antena” receptora de EMI.

Notem, pela figura 12, o diagrama simplificado do fenômeno.





   Isso significa que o mau aterramento é uma “porta aberta” para que os ruídos elétricos (tais como EMI) entrem no circuito, e causem um funcionamento anormal nos equipamentos.


BLINDAGEM ATERRADA

     Outra técnica para imunizar – se os ruídos elétricos é o aterramento das blindagens.

     Todos os circuitos chaveados (fontes de alimentação, inversores, etc.), na sua maioria, possuem sua caixa de montagem (carcaça) feita de metal.
      Essa técnica é a blindagem, que também é fabricada em alguns cabos através da malha (“shield”) (Cabos de microfones, por exemplo).     
     
     Na verdade, fisicamente, essa blindagem é uma gaiola de Faraday.
  
      A gaiola de Faraday não permite que cargas elétricas penetrem (ou saiam) do ambiente em que estão confinadas. Ela torna – se ainda mais eficiente quando aterrada. A maioria dos equipamentos  possui sua carcaça metálica, e ligada ao terminal terra.

    Quando não aterramos a carcaça de qualquer equipamento, comprometemos não somente a segurança do usuário, como também contribuímos para a propagação de EMI (interferência eletromagnética).


TERRA COMPARTILHADO

     Devemos evitar ao máximo a ligação de muitas máquinas em um mesmo fio terra.
     Quanto maior for o número de sistemas compartilhados no mesmo terra, maiores serão as chances de um equipamento interferir no outro (figura Abaixo).


     Mais tarde veremos que isso pode acontecer um fenômeno chamado de  Loop de terra , que iremos discutir em um outro artigo .




    Isso ocorre porque as amplitudes dos ruídos podem se somar e ultrapassar a capacidade de absorção do terra.

  Obviamente esse problema surge com maior freqüência para um fio terra que não tenha uma boa resistência de aterramento ou espessura .

   Para os equipamentos que possuem seu terra tratado quimicamente, ele não deve ser compartilhado com outras. Cabe lembrar que o tratamento químico , ao longo do tempo, perde sua eficiência .




CONCLUSÃO

    Antes de executarmos qualquer trabalho (projeto, manutenção, instalação, etc...) na área eletroeletrônica, devemos observar todas as normas técnicas envolvidas no processo. Somente assim poderemos realizar um trabalho eficiente, e sem problemas l.

     Fazer uma  verificação  completa do sistema de aterramento é extremamente  importante  para os diversos equipamentos da instalação.

     Com estas “dicas” , somadas às técnicas de aterramento exploradas neste artigo , acreditamos que já esteja preparado para analise e construção do sistema de aterramento da sua empresa ou  do seu equipamento .

  Atualmente, com os programas de qualidade das empresas, apenas um serviço bem feito não é suficiente. Laudos técnicos, e documentação adequada também são elementos integrantes do sistema.