Este white paper foi apresentado na Conferência de Qualidade de Energia Eléctrica ’93 e publicado no livro oficial de actas.
DEEP EARTH GROUNDING vs SHALLOW EARTH GROUNDING
até
Martin D. Conroy e Paul G. Richard
Computer Power Corporation
Omaha, Nebraska
ABSTRACT
Aterramento de baixa resistência é essencial para a segurança e proteção de equipamentos eletrônicos sensíveis. É a base para qualquer programa de garantia de qualidade de energia de qualquer instalação.
Este papel apresenta as vantagens dos eletrodos de acionamento profundo sobre os eletrodos rasos (10 pés ou menos). Este papel demonstrará que os eletrodos de acionamento profundo proporcionam baixa resistência à terra, são econômicos de instalar, mantêm baixa resistência ao longo do tempo, não necessitam de manutenção e não têm preocupações ambientais. Este artigo utiliza dados de campo obtidos de mais de 140 eletrodos de acionamento profundo instalados durante um período de 5 anos em vários estados. Uma discussão inclui o desenvolvimento dos equipamentos, materiais e processos utilizados para instalar e testar eletrodos de acionamento profundo. O processo inclui uma nova técnica de injeção de bentonita no vazio do acoplador para manter contato total da haste com o comprimento total. Vários relatórios do local são apresentados e discutidos. Este artigo seria de valor para qualquer pessoa responsável por especificar, instalar ou testar sistemas de aterramento de baixa resistência.
OBJECTIVOS
Os objectivos deste artigo são os seguintes:
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- determinar a profundidade do eletrodo necessária para atingir valores de baixa resistência
- determinar se as hastes de terra padrão de 8 a 10 pés cumprem os requisitos mínimos do código
- avaliar a estabilidade de eletrodos rasos
- apresentar um novo processo para a instalação de hastes de terra profundas
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FORWARD
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Confusores padrões, diferentes filosofias e opiniões contraditórias têm assolado o campo da fundamentação por muitos anos. A maioria dessas questões trata de como e porquê o aterramento e a ligação em sistemas elétricos, de computadores e de comunicações. A maioria dos planos e especificações dão pouca direção para a instalação e teste de um sistema de eletrodo de aterramento e muitos simplesmente declaram “aterramento por NEC”. Uma publicação sobre aterramento afirmou que os engenheiros que escrevem tais especificações não estão “assumindo sua total responsabilidade pela segurança” e estão deixando a instalação de aterramento “efetivo”! Com base nas pesquisas de qualidade de energia realizadas pelos autores, 90-95% de todas as instalações inspecionadas carecem de um sistema de aterramento eficaz. Além disso, nenhuma das instalações inspecionadas alguma vez testou a resistência de aterramento de seu sistema de eletrodos.
O aterramento efetivo é essencial para equipamentos e sistemas de distribuição elétrica AC e DC aterrados. O aterramento eficaz proporciona o nível de segurança necessário para proteger o pessoal e os equipamentos contra choques e riscos de incêndio. A compreensão e avaliação de um sistema de aterramento de uma instalação deve fazer parte de qualquer programa de garantia de qualidade de energia.
Para compreender o aterramento e os procedimentos de teste, é necessário ver porque o aterramento é importante. A lista abaixo fornece alguns dos requisitos básicos de um sistema de aterramento eficaz.
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limita a tensão num sistema de distribuição eléctrica a valores fixos definidos |
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limita a tensão para dentro das classificações de isolamento |
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proporciona um sistema mais estável com um mínimo de transiente sobre tensão e ruído eléctrico |
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proporciona um caminho para a terra em condições de falha para isolamento rápido do equipamento com funcionamento de protecção de falha à terra |
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proporciona a ligação à terra de todos os invólucros condutores que possam ser tocados pelo pessoal, eliminando assim os riscos de choque |
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reduz a electricidade estática que pode ser gerada dentro das instalações |
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proporciona protecção contra grandes perturbações eléctricas (tais como raios), criando um caminho de baixa resistividade para a terra |
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Um sistema de terra deve cumprir os requisitos do artigo 250 da NEC (Código Eléctrico Nacional). O NEC define “aterrado” como “Ligado à terra ou a algum corpo de ligação que serve no lugar da terra” e “efectivamente ligado à terra” como “intencionalmente ligado à terra através de uma ligação à terra ou ligações de impedância suficientemente baixa e com capacidade de transporte de corrente suficiente para evitar a acumulação de tensões que possam resultar em perigo indevido para o equipamento ligado ou para as pessoas”
Aterramento de um sistema eléctrico à terra é feito através da ligação dos componentes apropriados do sistema de distribuição ao “sistema de eléctrodos de terra”. Este sistema é especificado em NEC 250-81 & 83 e inclui uma combinação de itens disponíveis listados na Tabela 1.
Tubo de água metálico, 10′ em terra
Estrutura metálica do edifício
Eléctrodo revestido de betão
Anel de terra
Eléctrodos de barra e de tubo
Eléctrodos de placa
Tábua 1. Eletrodos de aterramento componentes do sistema
O NEC não especifica uma resistência máxima de aterramento para o sistema de eletrodo de aterramento exigido pelo Artigo 250-81. O único local que especifica a resistência à terra é sob o Artigo 250-84, para eletrodos “feitos” (haste, tubo e placa). Aqui o NEC especifica uma resistência à terra de 25 Ohms ou menos para um eléctrodo de um único eléctrodo. Se o eletrodo não atingir 25 Ohms, ele deve ser suplementado por um eletrodo adicional. No entanto, a combinação dos dois eléctrodos não tem de cumprir os requisitos de 25 ohm! Pode-se apenas especular que os escritores do NEC estão assumindo que a combinação dos itens listados na Tabela 1 irá atender ao padrão de 25 Ohms ou menos. Para preocupações de qualidade de energia, esta suposição deixa a resistência de aterramento ao acaso.
De acordo com o Livro Verde do IEEE , a resistência de aterramento de grandes subestações elétricas deve ser de 1 Ohm ou menos. Para subestações comerciais e industriais, a resistência de aterramento recomendada é de 2-5 Ohms ou menos. Esta baixa resistência é necessária devido ao alto potencial de aterramento do sistema elétrico.
Muitos fornecedores de equipamentos e empresas de comunicação requerem sistemas de aterramento sem resistência a 3 Ohms.
Com métodos e materiais de construção modernos, está se tornando mais difícil alcançar um sistema de aterramento de baixa resistência. Muitas municipalidades estão isolando as máquinas de água metálicas para proteção contra corrosão ou estão mudando para tubos de água não metálicos. O aço de construção só pode ser usado quando “efetivamente aterrado” . Na maioria das instalações, não é. Eléctrodos revestidos de betão (solo Ufer) não são comuns em muitas regiões. Raramente são utilizados os ringgrounds e eletrodos de placa devido ao seu alto custo de instalação. A haste de terra de 8-10 pés é o típico eletrodo “feito” para a maioria das instalações.
Para muitos locais que têm sistemas de aterramento mínimos ou ausentes, a instalação de um sistema de eletrodo de aterramento novo é de custo proibitivo ou impraticável. Foi por esta razão que este processo foi desenvolvido para instalar hastes de aterramento profundas como uma solução de baixo custo efetivo.
INTRODUÇÃO
Arranque em 1986 foi feito um estudo para determinar o método mais eficaz de instalação de aterramento de baixa resistividade. Vários métodos e materiais de aterramento foram avaliados. A maioria dos métodos padrão foi rejeitada por razões práticas ou de custo. Novos métodos de utilização de varetas químicas e materiais de melhoramento do solo pareciam promissores, mas deixaram questões sem resposta quanto ao impacto ambiental e às responsabilidades. Quando questionado sobre a composição química “secreta” do produto de um fornecedor, foi dada resposta que o item foi aprovado pela EPA para ser colocado em um aterro sanitário. Os aterros problemáticos não exigem aterros de baixa resistividade! Um engenheiro ambiental estadual se opôs ao uso de melhorias químicas no solo perto do abastecimento municipal de água. Ele estava preocupado com a contaminação das águas subterrâneas pelos produtos químicos.
Com base no estudo foi determinado que barras de terra acionadas em profundidade ofereceriam a melhor solução para o aterramento de baixa resistividade, se o contato total da barra pudesse ser bem mantido.
Em 1988, um novo processo foi desenvolvido para a instalação de barras de terra acionadas em profundidade.
Este trabalho avalia os dados de campo retirados de 140 hastes de terra profundas instaladas entre Maio de 1988 e Julho de 1993. As varetas de terra foram instaladas em 6 estados com a maioria feitas no Nebraska. A profundidade das hastes de terra variou de 15 a 90 pés. Todas as medições de resistência foram feitas com o método de queda de potencial de três pontos usando um BiddleMegger, Modelo No. 250220-1, Null-Balance Earth Tester.
DISCUSSÃO
Os dados de campo incluem valores de resistência de terra para cada 5 pés de profundidade de instalação da haste de terra. A profundidade da haste de terra foi determinada através da obtenção da resistência desejada ou através de uma obstrução. A resistência da haste foi plotada em um gráfico de profundidade vs. resistência, como mostrado na Figura 1.
Figure 1. Amostra do gráfico de resistência da haste aterrada. Ohms vs. Profundidade
Os dados de resistência de mais de 140 hastes retificadas são calculados em média e plotados na Figura 2. Note que a média de 5 pés de barra de terra medindo 66 Ohms e a 10 pés é de 29,8 Ohms,por interpolação uma barra de terra de 8 pés teria uma média de aproximadamente 40 Ohms. A média de 8 e 10 pés de terra não atingiu o mínimo de 25 Ohms ou menos. Profundidades de 30 pés são necessárias para 5 Ohms ou menos. Os primeiros 20 pés de profundidade representam a maior mudança na resistência de terra.
A profundidade e resistência final de cada vara é plotada na Figura 3. A maioria das hastes variava em resistência de 0,9 -2,0 Ohms a uma profundidade de 40-60 pés.
Uma comparação da resistência em diferentes momentos é mostrada na Figura 4. Este gráfico mostra a resistência média para as hastes instaladas em cada ano do período do levantamento. Note como a resistência varia consideravelmente em profundidades de 10 pés ou menos. O início de 1993 foi um período muito “molhado” e é representado por uma resistência muito menor.
Figure 2 Gráfico de resistência média
Figure 3. Gráfico de parcelas dispersas
A 30 pés de profundidade a variação ano a ano diminui para abaixo de 10 Ohms de resistência. Profundidades abaixo dos 30 pés aumentam a estabilidade e diminuem a resistência ainda mais.
Figure 4. Gráfico de comparação de anos
ESTUDO DE CAIXA 1
Este caso envolveu a instalação de um sistema de solo profundo para uma nova central de reservas e telemarketing. A instalação construída no início de 1991 é um edifício de três andares com 60.000 pés quadrados, localizado perto do topo de uma colina. O projeto do edifício incluiu uma fundação de concreto vazado com pilares de apoio de aço aparafusados com sapatas de concreto armado. Nenhum sistema de eletrodo de aterramento foi especificado nos documentos de construção. Durante a construção do edifício foi testada a resistência à terra da conduta de água metálica antes de ser ligada à tubagem interior. O tubo de água foi testado com resistência superior a 10Ohms. Foi instalada uma barra de 10 pés de terra e testada a 45Ohms de resistência. A avaliação de risco de iluminação classificou a instalação na categoria moderada a grave .
Para responder às preocupações de segurança e protecção, foi proposto e instalado um novo sistema de eléctrodos. O novo sistema de eletrodos de aterramento consistiu de hastes de aterramento em ar e de aterramento de acionamento profundo. Um total de 4 hastes, de 70-78 pés de profundidade foram instaladas, uma em cada canto do edifício. A resistência média das 4 hastes foi de 1,57Ohms e quando amarradas juntas foi testada abaixo de 1 Ohm. Um anel foi formado pelo enterramento de um condutor de cobre nua, número 2, ao redor do perímetro do edifício. Cada uma das 4 hastes de terra profunda foi ligada à terra do anel com um conector do tipo aparafusado e coberta com um invólucro de fibra de vidro. Isto proporcionou a capacidade de desconexão periódica e teste de cada eletrodo.
O aço do edifício foi colado em cada coluna de canto e colunas atalternantes à terra do anel por uma conexão exotérmica. O anel de aterramento foi ligado ao serviço elétrico principal e à rede de água. Sistemas adicionais ligados à terra incluíram a proteção contra raios telefônicos, sistema telefônico, gerador de reserva, piso elevado da sala de computadores e equipamento de proteção de energia.
Não é possível comparar resultados antes e depois, já que esta é uma nova facilidade. No entanto, algumas observações gerais podem ser feitas. A instalação tem mostrado um histórico de operações sem problemas, sem perda ou danos conhecidos de equipamentos devido a distúrbios relacionados com a iluminação de energia. É interessante notar que, no início de 1993, houve um clima incomum com muitas tempestades elétricas/relâmpagos. Os fornecedores locais de computadores e de telecomunicações tiveram picos recordes de chamadas de serviço e falhas de equipamento no mesmo local da instalação.
ESTUDO DE CAIXA 2
Este caso envolveu uma instalação existente localizada em uma região semiárida. O prédio de 40.000 pés quadrados de um andar foi originalmente projetado para uso comercial de escritórios. Aproximadamente 30.000 pés quadrados foram alugados e remodelados para uma empresa de atelemarketing. As instalações tinham um histórico de problemas e falhas de equipamento, bem como reclamações de funcionários por choque elétrico. A empresa estava tendo uma taxa de falhas de 200% ao ano com seus 300 terminais de computador. Outros problemas incluíam erros de comunicação de dados e danos no equipamento.
Um levantamento da qualidade de energia e uma inspeção elétrica encontraram vários problemas de energia e aterramento nas instalações. Entre os problemas mais graves estavam violações da CNEC, incluindo aterramento inadequado e a falta de um sistema de eletrodos de aterramento. A tubulação de água interiormetal foi usada como o principal eletrodo de aterramento. No entanto, descobriu-se que a tubulação de metal funcionava apenas a 5 pés de profundidade, onde foi convertida em plástico. O aço do edifício não foi efetivamente aterrado e nenhum outro eletrodo de aterramento foi instalado.
Foi desenvolvido um plano de implementação de qualidade de energia para atender tanto a segurança quanto a funcionalidade do sistema de distribuição elétrica. Este plano inclui modificações elétricas e atualização do sistema de eletrodo de aterramento. Os empreiteiros locais afirmaram que a ligação à terra era muito difícil na região devido à fraca resistência do solo e à dificuldade de condução das barras de terra. Eles sugeriram uma haste de aterramento químico como solução. Estes tipos de hastes reduzem a resistência dos eléctrodos através da lixiviação de produtos químicos (sais electrolíticos) para o solo circundante. O cliente rejeitou as hastes químicas tanto para manutenção como para preocupações ambientais.
Um sistema de eléctrodo de acionamento profundo foi selecionado como a melhor solução para este local. Para superar a dificuldade de condução através do solo duro, foram feitos furos piloto para as hastes. Dois furos de teste de 60 pés de profundidade por 4 polegadas de diâmetro foram feitos em intervalos de 70 pés. Os primeiros 30 pés consistiam de uma camada de areia e cascalho, os últimos 30 pés eram de xisto. De acordo com as normas ANSI/IEEE , a resistência do solo de areia e cascalho varia de 15.800-135.000 Ohms/cm. A resistência do xisto varia de 4060-16.300 Ohms/cm. A camada mais baixa de xisto proporciona aproximadamente 10 vezes a redução da resistência em relação à camada superior.
Os orifícios de teste foram preenchidos com bentonita de sódio hidratada, na qual a(s) haste(s) retificada(s) foi(foram) conduzida(s). Ambas as hastes consistiram de 6 cada 3/4 de polegada por 10 hastes revestidas de cobre de pé com acionamento em acopladores. A resistência final das duas hastes foi de 0,88 e 0,48 Ohms respectivamente.
Como afirmação geral a instalação experimentou uma dramática redução em falhas de equipamento e erros de comunicação. Da perspectiva do cliente, a instalação tornou-se um dos seus locais mais livres de problemas.
ESTUDO DE CASO 3
Este estudo envolve uma instalação militar de computadores que foi localizada em uma fábrica de aeronaves convertida. Uma subestação dedicada com um primário de 13.800 volts e secundário de 480/277 volts foi providenciada para a instalação. O sistema de proteção de energia da instalação incluiu UPS estáticos redundantes em paralelo e geradores diesel de reserva. Estas especificações exigiam que o sistema de eletrodos de aterramento fosse de 3 Ohms ou menos resistente ao solo. O sistema de eletrodo de aterramento consistia de 6 varetas de 3/4 polegadas por 10 pés de aterramento instaladas através do piso do porão do edifício. Todas as 6 hastes de terra foram instaladas dentro de 6 polegadas umas das outras e aparafusadas a uma barra de terra de cobre. A subestação elétrica utilizou o mesmo sistema de aterramento. O projeto da instalação foi excluído usando aço do edifício, canos de água, ou terra de anel como eletrodos de aterramento.
O local foi atormentado com problemas de hardware do computador que o fornecedor culpou pela potência e aterramento. O sistema de barras de aterramento foi testado pelo pessoal da instalação e mediu 0,0 Ohms. Uma pesquisa de qualidade de energia revelou que os testes de aterramento tinham sido feitos de forma incorreta e que havia um risco de segurança. Os métodos padrão de teste de resistência de terra exigem que as hastes de terra sejam desconectadas durante o teste para evitar falsas leituras.
Duas hastes de terra de 70 pés de profundidade foram instaladas a intervalos de 90 pés para aumentar o sistema existente. A resistência de terra testada em 1,1 e 0,8 Ohmsrespectivamente. As novas hastes foram conectadas à barra de terra existente para fornecer a terra da facilidade de terra. As 6 hastes antigas foram então desconectadas e testadas em 27-32 Ohmsresistance.
Após a instalação das hastes de terra de acionamento profundo o fornecedor de serviços de computador relatou menos problemas com o hardware.
Este caso ilustra o problema de confiar no teste de resistência de terra impróprio. O projeto original de instalação de hastes de terra adjacentes umas às outras viola a exigência daNEC de espaçamento mínimo de 6 pés. Como regra geral, as hastes de terra devem ser colocadas num intervalo não inferior à sua profundidade. A baixa resistência do sistema de terra original criou um risco de segurança tanto para o pessoal quanto para o equipamento. Uma falha de terra no primário da subestação poderia ter causado um potencial de tensão excessivo no sistema de terra da instalação.
METO DE INSTALAÇÃO
A resistência de terra de um eletrodo depende de vários fatores, incluindo:resistência de terra, resistência de contato do eletrodo com a terra e resistência do(s) eletrodo(s), acopladores e conexões.
A instalação de um terra de acionamento profundo envolve os seguintes itens:
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selecção do material da haste |
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selecção do tipo de acoplador |
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diâmetro e comprimento da(s) haste(s) |
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tipo de equipamento de condução |
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procedimentos de instalação |
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procedimentos de teste |
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terminação de fio |
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Instalar barras de terra com mais de 10 pés de profundidade apresenta vários problemas. As hastes seccionais devem ser usadas (normalmente com 10-12 pés de comprimento) e acopladas juntas para atingir a profundidade desejada. O acoplador tem um diâmetro maior que a haste e portanto forma um buraco maior que a própria haste. Isto cria um vazio no acoplador limitando o contato do solo com a superfície da haste das seções adicionais. Somente a primeira seção manterá o contato total da haste com o solo.
Acionamento manual das hastes com marretas de marreta, condutores de tubulações e outros meios não fornecerão a força adequada para penetrar em solos duros. Drivers mecânicos ou motorizados são necessários para hastes de acionamento profundo.
O material da haste e o design do acoplador devem ser capazes de suportar o necessário para conduzir através do subsolo duro.
As primeiras hastes instaladas em 1988 foram feitas subindo uma escada e segurando um martelo eléctrico no topo da haste. Este procedimento era ao mesmo tempo incómodo e perigoso para o instalador. Uma máquina de condução foi então construída para facilitar melhor esta parte do processo. Esta máquina consiste em uma estrutura de suporte com macacos e rodas de nivelamento. A montagem vertical suporta um martelo de impacto elétrico e pode ser manobrada manualmente para cima e para baixo pelo operador. O martelo elétrico é equipado com uma ferramenta especial de acionamento que evita o “cogumelo” da haste e na verdade reforma a extremidade da haste.
Devido às forças extremas necessárias para penetrar em solos duros, verificou-se que os acopladores do tipo parafuso estavam falhando mecanicamente. As roscas estavam sendo descascadas causando o contato da haste com o solo. Um novo tipo de acoplador estriado cônico foi encontrado como sendo o mais confiável utilizado. Uma haste de teste foi acionada e depois puxada para verificar a durabilidade mecânica do acoplador. O desenho deste acoplador de acionamento simplificou o processo, podendo ser utilizadas hastes lisas de qualquer comprimento. Isto permitiu a instalação de sistemas de acionamento profundo em edifícios com alturas de teto mínimas (como no Estudo de Caso 3).
Para manter o contato total da haste com o solo, uma mistura de bentonita de sódio (argila que ocorre de forma natural) é injetada no vazio do acoplador à medida que as hastes são instaladas, fornecendo um material condutor entre a superfície da haste e o solo sobre a profundidade do mesmo. Uma típica haste de 60 pés de terra requer de 2 a 5 galões de bentonita. Foi feito um teste para determinar o efeito de resistência da bentonita no vazio do acoplador. A Figura 5 mostra o gráfico de comparação de três instalações de barras de terra sem a bentonita. Observe como as hastes “secas” mostraram uma resistência flutuante em comparação com o gráfico da Figura 1.
CONCLUSÕES
Como mostrado pelos dados apresentados, a média de 8 a 10 pés de barra de terra não irá atender aos requisitos mínimos do código NEC para resistência à terra. A resistência de um eletrodo raso (10 pés ou menos), variará muito conforme as condições sazonais mudarem. Devido à alta resistência, o eletrodo raso típico é incapaz de manter um sistema elétrico com potencial de aterramento durante condições transitórias de tensão e surtos de raios.
Quando são necessários valores de resistência estáveis inferiores a 5 Ohms, são necessários eletrodos de 30-60 pés.
Os estudos de caso demonstraram que a instalação de eletrodos de acionamento profundo é pouco eficiente e prática, tanto para instalações novas como para as já existentes.
O novo método de instalação de barras de terra profundas fornece uma média universal de aterramento eficaz.
Figure 5. Gráfico de resistência de haste “seca”
ACENTECIMENTOSAAACENTOS
Os autores são especialmente gratos ao Sr. Richard Teebken(Infraspec, Omaha, Nebraska) pelo fornecimento de dados de campo, fotografias e suporte técnico.
The IAEI Soares Book on Grounding, 4th Edition, page 128
ANSI/NFPA 70-1991, National Electrical Code, Article 250
ANSI/IEEE Green Book, Std 142-1982
NEC Artigo 250-81, (b), (FPN)
NFPA 78, Apêndice 1
ANSI/IEEE Std 142-1982, Livro Verde, Seção 4.1 Tabela 5
NEC Artigo 250-84
BIOGRAPHIES
Martin D. Conroy é CEO da Computer Power Corporation inOmaha, Nebraska.
Fundou a CPC em 1981 para fornecer serviços e equipamentos de qualidade de energia para atender às necessidades crescentes dos clientes. Nos últimos 5 anos, ele tem estado envolvido extensivamente no fornecimento de pesquisas de qualidade de energia e serviços de consultoria para grandes contas. Martin se especializou na área de qualidade de energia, aterramento, harmônicas e inspeções de código. Ele tem desenvolvido e ensinado seminários sobre qualidade de energia tanto para contas comerciais como para contas de serviços públicos.
Antes de fundar o CPC, Martin trabalhou na área de contratação elétrica por 8 anos.
Martin é um inspetor elétrico IAEI e detém uma licença de Empreiteiro de Energia Elétrica do Estado de Nebraska.
Paul G. Richard esteve na Computer Power Corporation por 12 anos.
Ele entrou na firma em 1986. Paul tinha estado envolvido tanto no marketing como na prestação de serviços de consultoria e pesquisas de qualidade de energia. Ele deu seminários e aulas de treinamento sobre qualidade de energia. Paul também se especializou em desenho e testes de controle estático.
Paul recebeu seu BS da Universidade de Nebraska em Omaha em 1985.
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