Basicamente, o aterramento de qualquer equipamento elétrico visa equipotencializar todas as partes metálicas e neutro/retorno para “zero volts”. Além de uma medida de segurança para evitar descargas por eletricidade estática nas massas ou falhas em componentes elétricos pela potência que pode ser gerada no neutro ou retorno, também é uma forma de diminuir os valores de curto-circuito no momento de certos tipos de falhas elétricas.
Aterramento das massas / ”carcaça” metálica
Para os transformadores, não obstante a classe de tensão envolvida, aterrar as massas (partes metálicas) é sempre uma das primeiras preocupações para o engenheiro/técnico de campo bem como item de manutenção preventiva. Em muitos casos, é medida a resistência de aterramento e a continuidade do condutor de aterramento do equipamento até o BEP – barramento de equipotencialização, onde se instalam todos os neutros e condutores de proteção (“PE” ou “terra”) – da subestação ou até na caixa de inspeção de aterramento para transformadores que não estejam em subestações abrigadas ou de alta tensão.
Deixar o caminho deste condutor de proteção livre do toque acidental com outras partes metálicas, como suportes ou até mesmo as massas de outros equipamentos ou máquinas é de suma importância para não corrermos o risco de acidentalmente energizar e danificar a isolação de condutores e talvez criar um caminho diferente do pretendido para um curto-circuito ou uma sobretensão indesejada.
Figura 1 – condutores de proteção (nu) e neutro (azul) de transformador que ficaram encostados em um suporte metálico durante descarga elétrica para a terra. Fonte: Hostin Engenharia.
Aterramento do neutro dos transformadores
Amplamente discutido, os diferentes tipos de arranjos de aterramento do neutro para transformadores dependem muito da aplicação e da finalidade dos mesmos. Aqui iremos explanar somente os tipos mais comuns de aterramentos de transformadores e suas aplicações. A função principal é que o retorno seja um ponto sem tensão, e também um caminho único e seguro para a terra de tensões e correntes espúrias.
Optar por sistemas com neutro aterrado também pode diminuir os valores de faltas fase-terra e evitar sobretensões transitórias e temporárias, comuns em sistemas trifásicos que não possuem um ponto comum de neutro.
Neutro solidamente aterrado
A maioria das instalações de transformadores trifásicos de média tensão, por exemplo, utiliza o neutro solidamente aterrado no lado de baixa tensão – normalmente na ligação em estrela – e equipotencializa este neutro com um barramento ou haste de aterramento que o leva juntamente com os condutores PE até um aterramento eficaz.
Em muitos sistemas de alta tensão – conforme a NBR 14039, acima de 36,2 kV – o neutro solidamente aterrado é escolhido por ser um sistema comprovadamente seguro e auxiliar na isolação e utilização dos para-raios da subestação.
Para subestações de grandes potencias e linhas de transmissão, a não utilização de resistências e o neutro solidamente aterrado é uma opção para não “confundir” certas proteções, como a de distância fase-terra (ANSI 21), por exemplo. Nos equipamentos instalados em postos de transformação este esquema também é o mais utilizado, com o neutro aterrado na malha em anel construída ao redor do poste juntamente com os condutores de proteção.
Aterramentos através de resistores
O aterramento do neutro nestes sistemas é calculado e tem sua aplicação principal em sistemas de baixa e média tensão industriais, com resistores de baixo valor ôhmico no caso de instalações de média tensão e alto valor ôhmico para baixa tensão. Este último não exige o desligamento do sistema no caso de uma falta à terra, sendo particularmente útil em sistemas de carga crítica.
Conforme explica COSTA (2014), “na aplicação de resistores de alto valor ôhmico, a corrente fase terra é limitada em valores menores que 10 A, e o sistema não é desligado imediatamente, permanecendo com o curto fase-terra durante um período suficiente (recomendado máximo de 12 horas) para sua identificação e tomada de medidas auxiliares que reduzem o tempo de parada para substituição do equipamento defeituoso.” No caso da média tensão, há muitos projetos onde resistores de baixo valor ôhmico são utilizados para transformadores abaixadores de tensões 69 kV ou 138 kV para 13,8 kV, em sistemas onde o desligamento é crucial no caso de uma falta fase-terra.
Transformadores de aterramento
Para criação de aterramento em um sistema elétrico trifásico em delta, por exemplo, há necessidade de instalação de um transformador (ou reator) para não termos o neutro isolado flutuante. Muitos arranjos diferentes podem ser realizados com a instalação dos transformadores de aterramento, sendo o mais comum o transformador/reator em zigue-zague que normalmente é o de menor custo. A proteção se baseia nos valores de projeto para atuar pela função de sobrecorrente de terra (ANSI 51G) entre o transformador e a terra, ou entre o transformador e o resistor quando aplicável. Os tipos de transformadores de aterramento mais comuns (COSTA, 2014) são:
Figura 2 – transformador de aterramento em zigue-zague. Fonte: COSTA, 2014.
Transformadores trifásicos com conexão secundária em zigue-zague são utilizados em diversas aplicações, principalmente em cargas críticas como soldas, fornos e cargas que possuem conteúdo harmônico alto (componentes harmônicos de 5ª e 7ª ordem e seus múltiplos).
No caso do transformador de aterramento, esta ligação traz somente o reator trifásico com duas bobinas por fase em uma ligação cruzada construída como uma junção entre o enrolamento em delta e estrela, por fase, em série. Dependendo da instalação e especificação, é utilizado um resistor para aterramento.
Figura 3 – transformador de aterramento conexão estrela-triângulo. Fonte: COSTA, 2014.
O transformador de aterramento estrela-triângulo utiliza o lado em delta para compensação das correntes de sequencia zero, ficando fechado conforme figura 3. Esta corrente seria a soma da corrente de falta que circula entre as três fases do equipamento de aterramento, assim como nos outros transformadores para o mesmo fim.
O lado primário, ligado em estrela, possui neutro acessível e é conectado a um resistor de aterramento com valor ôhmico calculado.
Figura 4 – transformador de aterramento conexão estrela-delta aberto. Fonte: COSTA, 2014.
A conexão com estrela no primário e delta aberto no secundário diferencia da anterior na aplicação do resistor entre os terminais do delta aberto. O aterramento do neutro do primário em estrela aqui é necessariamente solidamente aterrado neste ponto, com a instalação da proteção de sobrecorrente de terra (51G) entre o comum da conexão em estrela e a terra, conforme figura 4.
Seja qual a forma escolhida em projeto ou suas adequações práticas em campo, o fato inegável é que tão importante quanto a manutenção dos circuitos de força e comando, o “circuito de aterramento” deve ser tratado com atenção especial em virtude da quantidade de falhas elétricas possíveis de ocorrerem nas instalações atuais. Por este motivo que os condutores neutros e de proteção tem ganhado relevância nos planos de manutenção preditiva e preventiva, que antes só eram lembrados quando havia queima de componentes eletrônicos ou no caso de curto-circuitos ou falhas envolvendo elevação de tensões.
Referencias
- ABNT NBR 5410:2004 versão corrigida 2008 – instalações elétricas em baixa tensão.
- ABNT NBR 14039:2005 – instalações elétricas em média tensão de 1,0kV a 36,2kV.
- COSTA, Paulo Fernandes. Revista O Setor Elétrico. Fascículos: Aterramento do neutro – Capítulos III, V e VI. Atitude Editorial, 2014.