diagnóstico de corrosividade em eletredo de aterramento elétrico
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN PROGRAMA DE PS GRADUAO EM ENGENHARIA
E CINCIA DOS MATERIAIS
DIAGNSTICO DE CORROSIVIDADE EM ELETRODO DE ATERRAMENTO ELTRICO COBREADO
CURITIBA 2013
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ii
CLEBERSON LOPES DO NASCIMENTO
DIAGNSTICO DE CORROSIVIDADE EM ELETRODO DE ATERRAMENTO ELTRICO COBREADO
Dissertao apresentada como requisito parcial
obteno de grau de Mestre. rea de
concentrao: Materiais Metlicos, Programa
de Ps-Graduao em Engenharia e Cincia
dos Materiais - PIPE. Setor de Tecnologia,
Universidade Federal do Paran.
Orientador: Prof. Dr. Haroldo de Arajo Ponte
Co-orientador: Prof. Dr. Alysson Nunes Digenes
CURITIBA 2013
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iii
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iv
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v
Aquele que tenta perscrutar com humildade e
perseverana os segredos das coisas, ainda
que disto no tome conscincia, como que
conduzido pela mo de Deus, que sustenta
todas as coisas, fazendo que elas sejam o
que so.
Conclio Vaticano II (Gaudium et Spes 36)
-
vi
RESUMO
A confiabilidade de um sistema eltrico e a segurana da vida das pessoas
depende do perfeito funcionamento do aterramento eltrico e de seus materiais
empregados. Neste contexto a durabilidade de um eletrodo de aterramento
cobreado consiste no tempo que decorre da sua instalao propriamente dita no
solo at instalao de processos de corrosividade em sua camada de
recobrimento que ir proporcionar a descontinuidade eltrica e o consequente
aumento da resistncia hmica de aterramento. Como os eletrodos de aterramento
encontram-se diretamente em contato com o solo, com a ao da gua e / ou de
outros contaminantes, eles sempre operam em condies de corroso.
Visto a dificuldade para a visualizao do estado fsico dos eletrodos de
aterramento por encontrarem-se enterrados o presente trabalho aborda a anlise
experimental para concepo de sensoriamento eletroqumico com o objetivo de
diagnstico de corroso / formao de xido instalado sobre a superfcie de um
eletrodo de aterramento cobreado. Com este intuito foi desenvolvida uma
metodologia para diagnstico da corrosividade atravs do estudo em uma clula
eletroqumica composta de trs eletrodos e com a utilizao de tcnicas
eletroqumicas caracterizou-se os parmetros eltricos do eletrodo de cobre em
estados de superfcies distintas: polido e oxidado.
Palavras chave: Eletrodo de aterramento eltrico cobreado, monitoramento de
corroso, tcnicas eletroqumicas, clula eletroqumica.
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vii
ABSTRACT
The reliability of a power system and the safety of people's lives depend on
the perfect functioning of the electrical grounding materials and their employees. In
this context the durability of a grounding electrode coppered is the time that elapses
from your actual installation in the ground until the installation process to corrosivity
its coating layer that will provide the electrical discontinuity and the consequent
increase in ohmic resistance grounding. As the grounding electrodes are directly in
contact with the ground, with the action of water or other contaminants, always
operate in corrosive conditions.
The present paper deals the analysis of experimental design for
electrochemical sensing with the purpose of diagnosing corrosion / oxide formation
installed on the surface of a copper-plated grounding electrode because the difficulty
to visualize the physical state of grounding electrodes find themselves buried. For
this purpose was developed a methodology for diagnosing corrosivity through study
in an electrochemical cell consisting of three electrodes and the use of
electrochemical techniques characterized the electrical parameters of the copper
electrode in states of different surfaces: polished and oxidized.
Keywords: Electric grounding electrode copperweld, corrosion monitoring,
electrochemical techniques, electrochemical cell.
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viii
LISTA DE ILUSTRAES
Figura 1.1 Diferena de potencial em um sistema de aterramento que deveria
apresentar equipotencializao. ......................................................................... 17
Figura 1.2 Queima de componentes de placa eletrnica de computador devido a
possvel causa de funcionamento inadequado do sistema de aterramento. ...... 18
Figura 1.3 Eletrodos de aterramento em cobre corrodos. ..................................... 18
Figura 1.4 Eletrodos de aterramento do tipo Cooperweld, conectados entre si
formando uma malha de aterramento. ............................................................... 19
Figura 1.5 Corroso instalada em eletrodo de aterramento de cobre retirado do
solo. ................................................................................................................... 19
Figura 2.1 Esquema de aterramento TNS. ............................................................. 25
Figura 2.2 Esquema de aterramento TNC.............................................................. 26
Figura 2.3 Esquema de aterramento TT. ............................................................... 26
Figura 2.4 Mtodo de Wenner para medio de resistividade de solo. .................. 28
Figura 2.5 Tratamento qumico do solo. ................................................................. 32
Figura 2.6 Padronizao de haste de ao cobreada. ............................................. 38
Figura 2.7 Pilha eletroqumica contextualizada. ..................................................... 41
Figura 2.8 Corroso galvnica envidenciada atravs da formao de pilha
galvnica. ........................................................................................................... 43
Figura 2.9 Aterramento de BT com condutor em ao e haste em cobre. ............... 44
Figura 2.10 Malha de aterramento em zonas de solos distintos. ........................... 45
Figura 2.11 Mesmo solo com distintas concentraes de sais e umidade. ............ 46
Figura 2.12 Ao termogalvnica em haste profunda. ........................................... 47
Figura 2.13 Aerao diferencial em solo poroso. ................................................... 47
Figura 2.14 Correntes eltricas de fuga presentes no solo provocando corroso em
uma malha de aterramento eltrico. ................................................................... 49
Figura 2.15 Estrutura da dupla camada eltrica. .................................................... 51
Figura 2.16 Medio da curva de polarizao. ....................................................... 56
Figura 2.17 Funo de excitao do potenciostato para varredura linear. ............. 57
Figura 2.18 Curva de polarizao. ......................................................................... 60
Figura 2.19 Curva monologartmica de polarizao. .............................................. 61
Figura 2.20 Medio da impedncia eletroqumica. ............................................... 64
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ix
Figura 2.21 Funo de excitao do potenciostato para varredura em frequncias.
........................................................................................................................... 65
Figura 2.22 Curva Lissajous utilizada pelo mtodo de impedncia eletroqumica. 65
Figura 2.23 Circuito eltrico equivalente da interface metal-eletrlito. ................... 66
Figura 2.24 Circuito eltrico equivalente com a parcela referente ao efeito da
impedncia Warburg. ......................................................................................... 68
Figura 2.25 Diagrama de Nyquist para um processo corrosivo. ............................. 69
Figura 2.26 Diagrama de Nyquist para um processo corrosivo contemplando a
parcela referente ao efeito da impedncia difusional semi infinita. .................... 70
Figura 2.28 Diagrama de Bode do ngulo de fase pela frequncia para um
processo corrosivo. ............................................................................................ 72
Figura 3.1 Diagrama de blocos dos parmetros eltricos do sistema eletroqumico
proposto: (a) eletrodo de cobre em estado polido e (b) eletrodo de cobre em
estado oxidado. .................................................................................................. 74
Figura 3.2 Diagrama de Pourbaix a 25oC para um sistema Cu-H2O. ..................... 75
Figura 3.3 Clula eletroqumica convencional a trs eletrodos. ............................. 76
Figura 3.4 (a) Eletrodo de trabalho em cobre, (b) eletrodo de referncia em
calomelano saturado por KCl, (c) eletrodo auxiliar em platina espiralada. ......... 77
Figura 3.5 Clula eletroqumica constituda. .......................................................... 78
Figura 3.6 Ensaio de voltametria de varredura linear. ............................................ 79
Figura 3.7 Ensaio de espectroscopia por impedncia eletroqumica. .................... 80
Figura 4.1 Detalhe da extrapolao do semicrculo em altas frequncias do
diagrama de Nyquist visando determinao da resistncia de polarizao para
o eletrodo de cobre polido. ................................................................................. 91
Figura 4.2 Circuito equivalente para a clula eletroqumica com superfcie de
eletrodo de trabalho em cobre polido. ................................................................ 93
Figura 4.3 Detalhe da extrapolao do semicrculo em altas frequncias do
diagrama de Nyquist visando determinao da resistncia hmica da pelcula
oxidada para o eletrodo de cobre. ...................................................................... 99
Figura 4.4 Circuito equivalente para clula eletroqumica com eletrodo de cobre
oxidado............................................................................................................. 100
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x
LISTA DE TABELAS E GRFICOS
Tabela 2.1 Faixa de valores usuais de resistividade de certos tipos de solos........ 30
Tabela 2.2 Grau de corroso do solo em funo da resistividade eltrica. ............ 33
Tabela 2.3 Eletrodos de aterramento convencionais. ............................................ 36
Tabela 2.4 Srie eletromotiva dos metais a 25C. ................................................. 42
Grfico 4.1 Voltamograma em circuito aberto de eletrodo de cobre em soluo
aquosa de 1M de bicarbonato de sdio. ............................................................ 82
Grfico 4.2 Voltamograma potenciodinmico de eletrodo de cobre em soluo
aquosa de 1M de bicarbonato de sdio com taxa de varredura de potenciais de
50 mV.s-1. ........................................................................................................... 83
Grfico 4.3 Voltamograma potenciodinmico da superfcie de eletrodo de cobre em
soluo aquosa de 1M de bicarbonato de sdio com taxa de varredura de
potenciais de 1 mV.s-1. ....................................................................................... 85
Grfico 4.4 Regio de resistncia de polarizao de eletrodo de cobre em soluo
aquosa de 1M de bicarbonato de sdio com taxa de varredura de 1 mV.s-1. .... 86
Grfico 4.5 Voltamograma em circuito aberto de eletrodo de cobre polido em
soluo aquosa de 1M de bicarbonato de sdio. ............................................... 88
Tabela 4.1 Dados coletados durante espectroscopia por impedncia eletroqumica
para eletrodo de cobre polido em clula eletroqumica. ..................................... 89
Grfico 4.6 Diagrama de Bode de magnitude de impedncia versus frequncia
para eletrodo de cobre polido em soluo aquosa de 1M de bicarbonato de
sdio. ................................................................................................................. 89
Grfico 4.7 Diagrama de Bode de fase em graus versus frequncia para eletrodo
de cobre polido em soluo aquosa de 1M de bicarbonato de sdio. ................ 90
Grfico 4.8 Diagrama de Nyquist de impedncia real versus impedncia imaginria
para eletrodo de cobre polido em soluo aquosa de 1M de bicarbonato de
sdio. ................................................................................................................. 90
Grfico 4.9 Amperograma de formao de filme passivante sobre o eletrodo de
cobre durante 30 minutos com taxa de varredura de potenciais de 10 mV.s-1. .. 94
Grfico 4.10 Voltamograma em circuito aberto de eletrodo de cobre oxidado em
soluo aquosa de 1M de bicarbonato de sdio. ............................................... 95
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xi
Tabela 4.2 Dados coletados durante espectroscopia por impedncia eletroqumica
para eletrodo de cobre oxidado durante 30 minutos em clula eletroqumica. .. 96
Grfico 4.11 Diagrama de Bode de magnitude de impedncia versus frequncia
para eletrodo de cobre oxidado em soluo aquosa de 1M de bicarbonato de
sdio. ................................................................................................................. 97
Grfico 4.12 Diagrama de Bode de fase versus frequncia para eletrodo de cobre
oxidado em soluo aquosa de 1M de bicarbonato de sdio............................. 97
Grfico 4.13 Diagrama de Nyquist de impedncia real versus impedncia
imaginria para eletrodo de cobre oxidado em soluo aquosa de 1M de
bicarbonato de sdio. ......................................................................................... 98
Tabela 4.3 Valores em densidade de corrente complexa para o sistema
eletroqumico com eletrodo de cobre polido sob excitao de tenso eficaz de
0,707 V em frequncias. .................................................................................. 103
Tabela 4.4 Valores em densidade de corrente complexa para sistema
eletroqumico com eletrodo de cobre oxidado sob excitao de tenso eficaz de
0,707 V em frequncias. .................................................................................. 103
Grfico 4.14 Excitao em tenso alternada para as diferentes frequncias de
oscilao. ......................................................................................................... 104
Grfico 4.15 Resposta em densidade de corrente para o sistema eletroqumico
oscilante na frequncia de 50 Hz. .................................................................... 104
Grfico 4.16 Resposta em densidade de corrente para o sistema eletroqumico
oscilante na frequncia de 60 Hz. .................................................................... 105
Grfico 4.17 Resposta em densidade de corrente para o sistema eletroqumico
oscilante na frequncia de 100 Hz. .................................................................. 105
Tabela 4.5 Valores de densidade de corrente experimentais para o sistema
eletroqumico em estudo sob excitao de tenso oscilante eficaz de 0,707 V.
......................................................................................................................... 107
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xii
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas
ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica
AT Alta tenso
BT Baixa tenso
CA Corrente alternada
CC Corrente contnua
CNC Comando numrico controlvel
PE Condutor de proteo
PEN Condutor com funo de proteo e de neutro
PLC Programador lgico controlvel
CIs Circuitos integrados
COPEL Companhia Paranaense de Energia Eltrica
EC Contra-eletrodo ou eletrodo auxiliar
EIE Espectometria de impedncia eletroqumica
EMI Electromagnetic Interference
EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuria
EA Eletrodo auxiliar ou contra-eletrodo
ER Eletrodo de referncia
ET Eletrodo de trabalho
MRT Monofsico com retorno pela terra
MIT Manual de instrues tcnicas
NBR Normas Brasileiras
NM Normas Mercosul
Ph Potencial hidrogeninico ou potencial hidrognio inico
RPL Resistncia de polarizao linear
OCP Open Circuit Potential
SPDA Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas
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xiii
SUMRIO
RESUMO.................................................................................................................... vi
ABSTRACT ............................................................................................................... vii
LISTA DE ILUSTRAES ...................................................................................... viii
LISTA DE TABELAS E GRFICOS ........................................................................... x
LISTA DE SIGLAS .................................................................................................... xii
SUMRIO ................................................................................................................ xiii
CAPTULO 1 - PROPOSTA ...................................................................................... 15
1.1 INSTIGAO ................................................................................................... 16
1.2 JUSTIFICATIVA ............................................................................................... 18
1.3 OBJETIVOS ..................................................................................................... 19
1.3.1 OBJETIVO GERAL ......................................................................................... 19
1.3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS .............................................................................. 20
1.4 MTODOS DE PESQUISA ............................................................................. 20
1.5 ESTRUTURAO DO TRABALHO ................................................................. 20
CAPTULO 2 - FUNDAMENTAO TERICA ........................................................ 22
2.1 NORMATIZAO BRASILEIRA ...................................................................... 22
2.1.1 SISTEMA ELTRICO DE BAIXA TENSO ........................................................... 22
2.1.2 ATERRAMENTO ELTRICO SEGUNDO A NBR 5410 E NBR 5419 ...................... 22
2.1.3 ESQUEMAS DE ATERRAMENTO ELTRICO CONFORME NBR5410 ..................... 23
2.1.3.1 SISTEMA TN-S: ........................................................................................ 24
2.1.3.2 SISTEMA TN-C: ........................................................................................ 25
2.1.3.3 SISTEMA TT: ............................................................................................ 26
2.2 MEDIO DO ATERRAMENTO ELTRICO .................................................. 27
2.2.1 MEDIO DA RESISTIVIDADE DO SOLO ........................................................... 27
2.2.2 MTODO DE WENNER .................................................................................. 28
2.3 SOLO ............................................................................................................... 29
2.3.1 RESISTIVIDADE DO SOLO .............................................................................. 29
2.3.2 TRANSPORTE INICO PELO SOLO .................................................................. 31
2.3.3 TRATAMENTO QUMICO DO SOLO .................................................................. 31
2.3.4 CORROSIVIDADE DO SOLO ............................................................................ 33
2.4 ELETRODO DE ATERRAMENTO ................................................................... 34
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xiv
2.4.1 MATERIAIS DE SISTEMAS DE ATERRAMENTO .................................................. 37
2.4.1.1 COBRE ..................................................................................................... 37
2.4.1.2 AO COBREADO ....................................................................................... 37
2.4.1.3 ALUMNIO ................................................................................................. 38
2.4.1.4 AO ......................................................................................................... 39
2.5 CORROSO EM SISTEMAS DE ATERRAMENTO ELTRICO ..................... 39
2.5.1 REAO DE CORROSO ............................................................................... 40
2.5.2 ELETRONEGATIVIDADE DE METAIS ................................................................. 41
2.5.3 HETEROGENEIDADE DOS MATERIAIS QUE COMPE O SISTEMA DE ATERRAMENTO
ELTRICO ............................................................................................................ 43
2.5.4 HETEROGENEIDADE DOS SOLOS ABRANGIDOS POR MALHAS DE ATERRAMENTO 44
2.5.5 HETEROGENEIDADE DEVIDO A CONCENTRAO DE SAIS, UMIDADE E VARIAO
DA TEMPERATURA DO SOLO .................................................................................. 46
2.5.6 AERAO DIFERENCIAL ................................................................................ 47
2.5.7 AO DE CORRENTES ELTRICAS DISPERSAS NO SOLO (CORRENTES DE FUGA
OU CORRENTES PARASITAS) ................................................................................. 48
2.6 TCNICAS ELETROQUMICAS DE PESQUISA ............................................ 50
2.6.1 CLULA ELETROQUMICA .............................................................................. 50
2.6.1.1 ELETRODO DE TRABALHO (ET) .................................................................. 52
2.6.1.1.1 ELETRODO DE COBRE ............................................................................ 52
2.6.1.2 ELETRODO DE REFERNCIA (ER) ............................................................... 52
2.6.1.2.1 ELETRODO DE CALOMELANO ................................................................... 53
2.6.1.2.2 ELETRODO DE PRATA - CLORETO DE PRATA ............................................ 53
2.6.1.3 CONTRA ELETRODO OU ELETRODO AUXILIAR (EA) ...................................... 54
2.6.2 ELETRLITO ................................................................................................ 54
2.7 TCNICAS ELETROQUMICAS PARA ESTUDO DE PROCESSOS
CORROSIVOS ...................................................................................................... 55
2.7.1 POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO (OCP) ...................................................... 55
2.7.2 CURVAS DE POLARIZAO ............................................................................ 56
2.7.3 MEDIO DA CURVA DE POLARIZAO .......................................................... 56
2.7.3.1 FUNO DE EXCITAO PARA VARREDURA LINEAR ...................................... 57
2.7.4 RESISTNCIA DE POLARIZAO LINEAR (RPL) ............................................... 58
2.7.5 MODELAMENTOS GRFICOS ......................................................................... 59
2.7.5.1 VOLTAMOGRAMA DE POLARIZAO............................................................. 59
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xv
2.7.5.2 VOLTAMOGRAMA DE POLARIZAO MONOLOGARTMICA ............................... 60
2.8 MTODO DA IMPEDNCIA ELETROQUMICA ............................................. 61
2.8.1 SISTEMAS ELTRICOS ALTERNADOS E IMPEDNCIA ........................................ 63
2.8.2 MEDIO DA IMPEDNCIA ELETROQUMICA .................................................... 64
2.8.2.1 FUNO DE EXCITAO PARA VARREDURA DE POTENCIAL EM FREQUNCIAS 64
2.8.3 IMPEDNCIA ELETROQUMICA ........................................................................ 66
2.8.4 MODELAMENTOS GRFICOS ......................................................................... 68
2.8.4.1 DIAGRAMA DE NYQUIST ............................................................................. 69
2.8.4.2 DIAGRAMA DE BODE .................................................................................. 71
CAPTULO 3 MATERIAIS E MTODOS ............................................................... 74
3.1 CLULA ELETROQUMICA ............................................................................ 75
3.1.1 DETERMINAO DO ELETRLITO DE PASSIVAO ........................................... 75
3.1.2 DETERMINAO DA CLULA ELETROQUMICA ................................................. 76
3.1.2.1 DETERMINAO DOS ELETRODOS .............................................................. 77
3.1.2.2 CONSTITUIO DA CLULA ELETROQUMICA ................................................ 78
3.2 TCNICAS ELETROQUMICAS UTILIZADAS ................................................ 78
3.2.1 ANLISE VOLTOMTRICA POR VARREDURA LINEAR DE POTENCIAIS .................. 78
3.2.2 EQUIPAMENTO UTILIZADO ............................................................................. 79
3.2.3 ANLISE VOLTOMTRICA POR VARREDURA DE POTENCIAL EM FREQUNCIAS .... 80
3.3.1 EQUIPAMENTO ADOTADO .............................................................................. 80
CAPTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSES ..................................................... 81
4.1 ANLISE VOLTOMTRICA POR VARREDURA DE POTENCIAL LINEAR ... 81
4.1.1 ENSAIO DE POTENCIAL DE CIRCUITO ABERTO (OCP) ...................................... 81
4.1.2 VOLTAMETRIA DE VARREDURA LINEAR ........................................................... 82
4.1.3 RESISTNCIA DE POLARIZAO LINEAR (RPL) ............................................... 84
4.2 ANLISE VOLTOMTRICA POR VARREDURA DE POTENCIAL EM
FREQUNCIAS ..................................................................................................... 87
4.2.2 ESPECTROSCOPIA DE IMPEDNCIA ELETROQUMICA PARA O ELETRODO DE
COBRE POLIDO .................................................................................................... 87
4.2.3 CIRCUITO EQUIVALENTE PARA O ELETRODO DE COBRE POLIDO ....................... 93
4.2.4 ESPECTROSCOPIA DE IMPEDNCIA ELETROQUMICA PARA O ELETRODO DE
COBRE OXIDADO .................................................................................................. 94
4.2.5 CIRCUITO EQUIVALENTE PARA O ELETRODO DE COBRE OXIDADO .................. 100
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xvi
4.3 RESPOSTA DO SISTEMA ELETROQUMICO A APLICAO DE SINAL
OSCILANTE EM FREQUNCIAS ....................................................................... 101
4.3.1 EXCITAO DO SISTEMA ELETROQUMICO .................................................... 101
4.3.2 RESPOSTA DO SISTEMA EM DENSIDADE DE CORRENTE PARA ELETRODO DE
TRABALHO EM COBRE POLIDO ............................................................................. 102
4.3.3 RESPOSTA DO SISTEMA EM DENSIDADE DE CORRENTE PARA ELETRODO DE
TRABALHO EM COBRE OXIDADO .......................................................................... 103
4.3.4 COMPARATIVO GRFICO ENTRE AS RESPOSTAS DO SISTEMA ELETROQUMICO
COM ESTADOS DISTINTOS DE SUPERFCIES DO ELETRODO DE TRABALHO EM COBRE
......................................................................................................................... 103
4.3.5 COMPROVAO EXPERIMENTAL EXPLORATRIA ........................................... 106
4.3.5.1 EQUIPAMENTO UTILIZADO PARA GERAO DO SINAL DE POTENCIAL EM
FREQUNCIA ...................................................................................................... 106
4.3.5.2 RESPOSTAS EXPERIMENTAIS EM DENSIDADE DE CORRENTE PARA O SISTEMA
ELETROQUMICO ................................................................................................. 107
CAPTULO 5 - CONCLUSES ............................................................................... 109
CAPTULO 6 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................ 111
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................... 112
-
15
CAPTULO 1 - PROPOSTA
Com as inovaes tecnolgicas advindas da eletrnica de potncia,
microeletrnica e telecomunicaes o aterramento eltrico vem desempenhando
papel chave na proteo, confiabilidade e qualidade de energia dos sistemas
eltricos, seja no mbito residencial, comercial e industrial, dada sua importncia na
segurana vida das pessoas e dos animais.
No contexto tcnico aterrar significa constituir uma ligao intencional e de
baixa impedncia com a terra, o qual fornecer um caminho adequado para a
circulao de correntes, necessria para garantir o melhor desempenho da
instalao eltrica. Por se encontrarem enterrados e de difcil inspeo visual, os
sistemas de aterramentos tendem a ser esquecidos, sendo somente percebidos
quando problemas oriundos do aumento da resistncia de aterramento gerem
problemas de queimas de equipamentos, choques eltricos inesperados, falhas na
atuao de dispositivos de comando e proteo, etc.
A importncia do sistema de aterramento visa proporcionar que um dado
sistema de energia eltrica opere corretamente, atravs de uma adequada
continuidade de servio, com desempenho seguro do sistema de proteo e garantia
dos limites de nveis de segurana pessoal, apresentando tambm como objetivos
principais (KINDERMANN e CAMPAGNOLO, 1995):
Obteno de valor da resistncia de aterramento a mais baixa possvel, para
correntes de falta a terra;
Manuteno dos gradientes de potenciais produzidos pelas correntes de falta
a terra dentro de limites de segurana;
Atuao sobre os equipamentos de proteo para que sejam mais
sensibilizados e isolem rapidamente as falhas a terra;
Proporcionar um caminho de escoamento para terra de descargas
atmosfricas;
Escoamento das cargas estticas geradas nas carcaas dos equipamentos;
Utilizao da terra como retorno de corrente em sistemas eltricos MRT1;
1 MRT Sistema eltrico monofsico de retorno pela terra, utilizado na distribuio rural, as quais geralmente esto afastadas de centros robustos de distribuio de energia eltrica.
-
16
Outros objetivos do sistema de aterramento abordam a qualidade de energia
eltrica, sendo observveis (DECKMANN e POMILIO, 2011):
Reduo do risco de sobretenses nas fases;
Aumento da segurana contra descargas ao toque;
Reduo do risco de mau funcionamento de equipamentos;
Diminuio do risco de falta sustentada de fase;
Deteco da presena de harmnicas mltiplas de trs;
Viabilizao do atendimento de cargas monofsicas sem desequilibrar as
tenses.
J (MORENO e COSTA, 2011) afirmam que em uma instalao eltrica de
baixa tenso, o aterramento e a equipotencializao so partes fundamentais para a
garantia do funcionamento adequado dos sistemas de proteo contra choques
eltricos, sobretenses, descargas de origem atmosfricas e de origens
eletrostticas, alm de auxiliar a garantir o funcionamento adequado aos
equipamentos de tecnologia de informao: computadores, centrais telefnicas,
modems, controladores lgicos, etc.
1.1 INSTIGAO
Nos dias atuais a energia eltrica tornou-se um bem indispensvel a vida e a
segurana das pessoas, logo um funcionamento inadequado do aterramento
prejudicial ao sistema eltrico como um todo, como por exemplo a ausncia da
atuao da proteo realizada por fusveis, disjuntores, etc, os efeitos de uma
mquina que gere choques eltricos ao operador e que apresente resposta lenta.
To logo a inoperabilidade de um aterramento eltrico ou a presena de
falhas acarretam transtornos de ordem econmica, pessoal e principalmente de
segurana a vida das pessoas. Neste contexto a seguir encontram-se elencados
problemas referentes a um mau funcionamento do sistema de aterramento
(CAPELLI, 2007):
Excesso de EMI gerado, rudos e sinais esprios indesejados;
Quebra de comunicao entre mquinas e PC (PLC, CNC, etc...) em modo
on-line, principalmente se o protocolo de comunicao for RS 232;
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17
Aquecimento anormal das etapas de potncia de inversores e conversores,
advindo a danos a sistemas motorizados;
Em caso de computadores pessoais, funcionamento irregular com constantes
travamentos e por fim queima;
Falhas intermitentes, que no seguem um padro, as quais podem ocasionar
queima de CIs ou placas eletrnicas sem razo aparente, mesmo sendo elas
novas e confiveis;
Interferncias na imagem com a presena de ondulaes em equipamentos
com monitores de vdeo.
A figura 1.1 vem elucidar os diversos problemas enumerados atravs da
constatao de uma diferena de potencial de 1,1V presente sobre um esquema de
aterramento eltrico em baixa tenso do tipo TNS, onde os condutores de neutro e
terra so distintos porm conectados a uma mesma malha de aterramento, dita
superfcie equipotencializada2.
Figura 1.1 Diferena de potencial em um sistema de aterramento que deveria apresentar
equipotencializao.
O conceito de aterramento eltrico tambm envolve o contato das carcaas
de todos os equipamentos energizados com a terra atravs de condutores, com o
objetivo de levar todos esses componentes a ficarem no potencial mais prximo
2 O trabalho eltrico realizado sobre uma superfcie equipotencial sempre nulo e o campo eltrico constante, logo o potencial eltrico constante, neste caso como a referncia a terra, propriamente dita, logo deveria ser zero.
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18
possvel do potencial de terra, ou seja, zero volts, e de tal sorte dar provimento a
equipotencializao a este sistema eltrico no qual esto inseridos (MORENO e
COSTA, 2011). A figura 1.2 apresenta a provvel queima de equipamentos devido a
um mau funcionamento do sistema de aterramento.
Figura 1.2 Queima de componentes de placa eletrnica de computador devido a possvel causa de funcionamento inadequado do sistema de aterramento.
1.2 JUSTIFICATIVA
Um dos principais fatores que proporcionam maior influencia no aumento do
valor da resistncia de aterramento e consequentemente acarreta os diversos
problemas anteriormente mencionados a corrosividade a qual os eletrodos de
aterramento cobreados esto submetidos.
Figura 1.3 Eletrodos de aterramento em cobre corrodos.
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19
1.3 OBJETIVOS
Como j discutido um sistema de aterramento eltrico funcional tem como
parmetro essencial um baixo valor de resistncia de aterramento, o qual aumenta
sob um processo corrosivo instalado. A motivao de estudo consiste na anlise de
estado fsico de corrosividade instalada em um eletrodo de aterramento cobreado
presente em sistemas eltricos de baixa tenso sob regime de operao, linha viva,
do qual encontra-se enterrado e em difcil inspeo visual.
Figura 1.4 Eletrodos de aterramento do tipo Cooperweld, conectados entre si formando uma malha
de aterramento.
1.3.1 OBJETIVO GERAL
Propor um mtodo de avaliao da presena de xidos instalados sobre
eletrodo de aterramento cobreado utilizado para aterramento em sistemas eltricos
de baixa tenso.
Figura 1.5 Corroso instalada em eletrodo de aterramento de cobre retirado do solo.
(Adaptado de MORENO e COSTA, 2011)
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20
1.3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS
Frente as consideraes elencadas a abordagem do trabalho estar
alicerada sobre os seguintes aspectos:
Analisar o comportamento de estado eletroqumico do cobre nesta clula a
ser desenvolvida;
Determinar os parmetros eltricos da superfcie do cobre nesta clula
eletroqumica;
Avaliar e analisar a corrosividade do cobre atravs de metodologia a ser
desenvolvida para sensoriamento de diagnstico;
1.4 MTODOS DE PESQUISA
A pesquisa a ser realizada ser de carter terico experimental, conforme
bibliografia existente com nfase nos seguintes aspectos:
Modelamento atravs da constituio de uma clula eletroqumica para
anlise e caracterizao comportamental do cobre nos distintos estados de
superfcie;
Aplicao de tcnicas eletroqumicas tradicionais: voltametria por varredura
linear e espectroscopia por impedncia eletroqumica (EIS) para
contextualizao dos parmetros eltricos do cobre no sistema eletroqumico
envolvido;
Analisar o efeito desta metodologia desenvolvida, atestando sua eficcia;
Concluses e pareceres.
1.5 ESTRUTURAO DO TRABALHO
A dissertao constar de cinco captulos, sendo que no primeiro, introduo
geral, ter a descrio do problema, a justificativa, os objetivos geral, especficos e
os mtodos de pesquisa. O segundo captulo destina-se reviso bibliogrfica, que
ter o embasamento terico necessrio para o entendimento da corroso em
sistemas de aterramento, no qual sero abordados os seguintes assuntos: sistemas
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21
de aterramentos normatizados, medies e materiais utilizados, tipos e
caractersticas de solos, processos corrosivos em sistemas de aterramento e
tcnicas eletroqumicas para caracterizao de materiais em sistemas corrosivos.
No terceiro captulo ser apresentada a metodologia cientfica e os materiais
utilizados para os procedimentos do modelo proposto para diagnstico de um
sistema corrosivo para o cobre. No quarto captulo ser descrita a parte experimental
e apresentar os resultados obtidos, bem como a anlise e as discusses dos
resultados. Por fim o quinto captulo descrever as concluses finais e informaes
pertinentes ao prosseguimento do trabalho.
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22
CAPTULO 2 - FUNDAMENTAO TERICA
Para o desenvolvimento do projeto proposto faz-se necessrio previamente
uma abordagem de cunho terico do sistema de aterramento eltrico. Logo
necessrio discorrer sobre parmetros e valores da normatizao brasileira para
sistemas de aterramento em baixa frequncia e tenso. Posteriormente sero
analisados os sistemas de medies e materiais utilizados para aterramento, tipos e
caractersticas de solos e corroso em sistemas de aterramento.
2.1 NORMATIZAO BRASILEIRA
A normatizao Brasileira se estabelece atravs de leis que so normas
jurdicas e normas tcnicas da ABNT que consistem em boas prticas de
engenharia.
2.1.1 SISTEMA ELTRICO DE BAIXA TENSO
Segundo portaria n 505 da ANEEL de 2001 o sistema eltrico brasileiro
possui gerao e distribuio trifsica em corrente alternada com frequncia de rede
de 60 Hz, sendo definido:
Baixa tenso, valores de tenso inferiores a 1000 VCA;
Mdia tenso, valores de tenso de 1000 VCA at 69 kVCA;
Alta tenso, valores de tenso acima de 69 kVCA.
2.1.2 ATERRAMENTO ELTRICO SEGUNDO A NBR 5410 E NBR 5419
Segundo a normatizao brasileira vigente, NBR 5410 Instalaes Eltricas
de Baixa Tenso, no h um valor especfico para a resistncia, R, de aterramento
eltrico, sendo que apenas evidencia uma expresso matemtica para determinao
de seu valor mximo.
A
L
I
UR = (2.1)
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23
Sendo UL a tenso de toque, 50 V, e IA a corrente de atuao de dispositivo
de proteo residual (valores comercialmente compreendidos entre 30 mA a 500
mA). Ao aplicar o equacionamento acima, a resistncia do aterramento eltrico
segundo a NBR 5410 apresenta valores compreendidos entre 1,7 k e 100 . J a
NBR 5419 Proteo de Estruturas Contra Descargas Atmosfricas recomenda um
valor mximo de 10 . Elucidado em normas e nas boas prticas de engenharia a
necessidade da equipotencializao sobre dado sistema de aterramento,
geralmente adotado como referncia em projetos eltricos qualquer valor at 10 ,
j que normatizado e atende ambas as normas.
2.1.3 ESQUEMAS DE ATERRAMENTO ELTRICO CONFORME NBR5410
Para anlise de esquemas de aterramento eltrico em baixa tenso
necessria a abordagem das referncias de alimentao eltrica da concessionria
distribuidora e das massas em relao terra. A classificao realizada por letras,
como segue (KINDERMANN e CAMPAGNOLO, 1995):
A primeira letra especifica a situao da alimentao em relao terra:
T - A alimentao, lado fonte, tem um ponto diretamente aterrado;
I - Isolamento de todas as partes vivas da fonte de alimentao em relao
terra ou aterramento de um ponto atravs de uma impedncia elevada.
J a segunda letra especifica a situao das massas (carcaas) das cargas
ou equipamentos em relao terra:
T - Massas aterradas distintas, isto , independente do aterramento do lado
da fonte;
N - Massas ligadas ao ponto de aterramento do lado da fonte, sendo que em
corrente alternada o ponto aterrado normalmente o ponto de neutro;
I - Massa isolada, isto , no aterrada.
Outras letras apresentam a forma da ligao do aterramento da massa do
equipamento, usando o sistema de aterramento da fonte.
S - Separado, isto , o aterramento da massa realizado com um condutor
distinto do condutor de neutro, chamado de condutor PE;
C - Comum, isto , o aterramento da massa do equipamento realizado
atravs do condutor de neutro, cuja nomenclatura agora PEN.
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24
A ABNT atravs da norma NBR 5410 de 2004 refere em suas subsees
6.3.3.1.1, 6.3.3.1.2, e 6.3.3.1.3 aos possveis esquemas de aterramento que podem
ser realizados.
Nos tpicos 2.1.3.1 e 2.1.3.2 so apresentados desmembramentos do
sistema TN que so os esquemas mais comuns nas mais diversas instalaes, pois
o sistema TN equipotencializado, ou seja, todos os terminais terra esto ligados
em um mesmo potencial. J o tpico 2.1.3.3 ir apresentar o esquema de
aterramento TT o qual no equipotencializado, ou seja, cada equipamento tem sua
prpria haste de terra. Outro esquema de aterramento referendado em norma o IT,
no qual o neutro ligado a terra por meio de uma impedncia, e se destina a casos
especficos, nos quais o contnuo fornecimento de energia vital, a ponto de
postergar ao mximo o momento de atuao dos dispositivos de proteo, sendo
necessrio para este caso um sistema supervisrio ancorado por equipe de
emergncia sob falta. Geralmente empregado em salas de cirurgia, unidades de
terapia intensiva e outras situaes de suporte vida, to logo conhecido como IT
mdico.
Segundo (CAPELLI, 2007) com exceo do sistema IT o esquema de
aterramento mais indicado depende de cada instalao. Pois os esquemas
equipontecializados tm a vantagem de serem os mais seguros, pois no h
possibilidade de haver diferena de potencial entre terras, mesmo na presena de
uma descarga atmosfrica. A desvantagem, entretanto, que uma mquina que
gere harmnicas ou rudo eltrico pode interferir no bom funcionamento de
equipamentos sensveis, tais como CNC, PLC, etc, utilizando-se para isso do prprio
condutor de terra como meio de transporte. Tal fato no acontece com o sistema TT,
pois as hastes so isoladas e o trnsito de harmnicas e rudos so praticamente
eliminados, no entanto, pela mesma razo uma descarga atmosfrica pode gerar
diferena de potencial entre os terras, vindo a torn-lo menos seguro.
2.1.3.1 SISTEMA TN-S:
Atravs da figura 2.1 observa-se que o condutor de neutro aterrado logo na
sada do transformador e levado at a carga. Paralelamente, outro condutor
identificado como PE utilizado como fio terra, e ento conectado carcaa
(massa) do equipamento.
-
25
Pode-se observar que h dois condutores diferentes ligados a haste de
aterramento, sendo que um condutor possui a funcionalidade de neutro para o
sistema eltrico e outro condutor possui a finalidade de proteo (terra). Algo notrio
que nesta topologia o sistema de aterramento apresenta a equipotencializao dos
eletrodos de aterramento para a instalao, isto , mantm-se o potencial zero para
o neutro e para a proteo (terra).
Figura 2.1 Esquema de aterramento TNS.
(Adaptado da norma NBR 5410, 2004)
2.1.3.2 SISTEMA TN-C:
Esse sistema, embora normatizado, no muito aconselhvel, pois os
condutores de terra e de neutro ao sistema de aterramento so constitudos pelo
mesmo condutor, e o rompimento de tal condutor pode acarretar danos e riscos ao
patrimnio e a vida (CAPELLI, 2007).
A identificao do condutor agora PEN e no PE como o esquema anterior.
Pode-se notar pela figura 2.2 que, aps o neutro ser aterrado na entrada, ele prprio
ligado ao neutro e massa do equipamento. O maior problema que este sistema
estabelece que prximo ao eletrodo de aterramento, a tenso entre a terra e este
condutor praticamente nula, j na medida em que se afasta da origem da
instalao, a tenso entre o eletrodo de aterramento e o condutor PEN aumenta,
logo h queda de tenso sobre este condutor (MORENO e COSTA, 2011).
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26
Figura 2.2 Esquema de aterramento TNC.
(Adaptado da norma NBR 5410, 2004)
2.1.3.3 SISTEMA TT:
Esse sistema o mais eficiente de todos para subsistemas eletroeletrnicos
que necessitam do potencial de referncia de terra para circuitos de controle e
comando (CAPELLI, 2007). Na figura 2.3 vemos que o neutro aterrado logo na
sada e segue, como neutro, at a carga (equipamento). A massa do equipamento
aterrada com uma haste prpria, independente da haste de aterramento do neutro.
Figura 2.3 Esquema de aterramento TT. (Adaptado da norma NBR 5410, 2004)
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27
2.2 MEDIO DO ATERRAMENTO ELTRICO
A verificao das condies eltricas para instalao de um sistema de
aterramento necessrio para obteno da deciso correta de instalao visando a
adequao da normatizao vigente, j apresentada. Logo a medio do
aterramento eltrico constitui-se a principal ferramenta de resposta, a qual
apresentada a seguir.
2.2.1 MEDIO DA RESISTIVIDADE DO SOLO
Segundo (KINDERMANN e CAMPAGNOLO, 1995) os mtodos de medio
so resultados da anlise de caractersticas prticas das equaes de Maxwell do
eletromagnetismo, aplicadas ao solo.
A conceituao de resistividade do solo pode ser entendida como a
resistncia eltrica medida entre as faces opostas de um cubo de dimenses
unitrias (aresta L de 1 m, rea das faces A de 1 m) preenchida com este solo,
conforme expresso da eletrodinmica j conhecida (VISACRO FILHO, 2002).
L
AR.= (2.2)
Sendo:
- resistividade, em .m;
R - resistncia, em ;
A - rea, em m;
L - comprimento, em m.
To logo se verifica que um solo apresenta sua resistividade dependente das
dimenses do sistema de aterramento, pois a disperso de correntes eltricas atinge
camadas profundas com o aumento da rea envolvida pelo aterramento. Neste caso
necessrio conhecer a resistividade aparente que o solo apresenta para o
aterramento pretendido, pois a resistividade do solo espelha suas caractersticas
geoeltricas (KINDERMANN e CAMPAGNOLO, 1995).
Para tanto o levantamento dos valores de resistividade do solo so realizadas
-
28
atravs de medies em campo com a utilizao de mtodos de prospeco
geoeltricas, dentre os quais so citados pela bibliografia em geral: Mtodo de
Wenner, Mtodo de Lee e Mtodo de Schlumbeger Palmer. Aceito universalmente
para medies de resistividade do solo, o mtodo de Wenner ser enfatizado neste
trabalho.
2.2.2 MTODO DE WENNER
O mtodo consiste na utilizao de um Megger, instrumento de medida de
resistncia que possui quatro terminais, dois de corrente e dois de potencial. O
equipamento, atravs de sua fonte interna, injeta corrente eltrica, I, entre as duas
hastes externas que esto conectadas aos terminais de potencial C1 e C2.
Figura 2.4 Mtodo de Wenner para medio de resistividade de solo.
(Adaptado de KINDERMANN e CAMPAGNOLO, 1995) Sendo:
R - Leitura do Megger da resistncia hmica do solo, em ;
a - Espaamento das hastes cravadas no solo, em m;
p - Profundidade das hastes cravadas no solo, em m.
Com as informaes do valor da resistncia de terra, R, e ancorada numa
equao de Palmer utiliza-se a expresso matemtica a seguir para determinao
da resistividade aparente, ,de determinado solo.
Ra...2 = (2.3)
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2.3 SOLO
O conhecimento de processos corrosivos existentes nos solos de
fundamental importncia para o estudo e aplicaes de tcnicas de combate
corroso, tais como, a aplicao de revestimentos protetores e proteo catdica ou
por corrente impressa aos materiais enterrados (JUC, 2004).
O solo constitui-se a camada mais superficial da crosta terrestre, e
composta por sais minerais dissolvidos na gua intersticial, seres vivos e rochas em
decomposio, sendo que h muitas variaes de terreno para terreno dos
elementos presentes no solo. A classificao brasileira de solos apresenta 13 ordens
de solos, os quais so: Argissolo, Cambissolo, Chernossolo, Espodossolo, Gleissolo,
Latossolo, Luvissolo, Neossolo, Nitossolo, Organossolo, Planossolo, Plintossolo e
Vertissolo (EMBRAPA, 2006).
J a velocidade de corroso no muito influenciada por pequenas variaes
na composio ou microestrutura do material metlico, sendo mais influente a
natureza e o tipo de solo. Devem ser destacados os parmetros participantes da
ao corrosiva do solo como a aerao, o teor de umidade, o valor de pH, o
potencial redox, a resistividade eltrica, as condies climticas, a heterogeneidade
do solo e a presena de sais solveis, gases e microorganismos (GENTIL, 2003).
Mas o item mais importante para determinao da resistividade do solo diz
respeito granulometria e a natureza do solo, os quais se apresentam classificados
em solos arenosos, solos siltosos, solos argilosos, latossolos, solos lixiviados, solos
negros das plancies e das pradarias, solo rido, solos de montanhas e solos
orgnicos (VISACRO FILHO, 2002).
2.3.1 RESISTIVIDADE DO SOLO
Como apresentado resistividade eltrica do solo um dos fatores mais
importantes no processo corrosivo sobre metais enterrados. Como a resistividade
eltrica diretamente proporcional resistncia eltrica, quanto menor seu valor,
mais facilmente proporciona a formao de pilhas corrosivas e maior a facilidade
para o fluxo de correntes parasitas (UHLIG, 1948).
Vrios fatores influenciam na resistividade do solo, sendo importante ressaltar
(KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995):
-
30
Tipo de solo e mistura de diversos tipos de solos;
Solos constitudos por camadas estratificadas com profundidades e materiais
diferentes;
Teor de umidade;
Temperatura;
Compactao e presso;
Composio qumica dos sais dissolvidos na gua retida;
Concentrao de sais dissolvidos na gua retida.
A tabela 2.1 descrita por (VISACRO FILHO, 2002) apresenta a variao dos
valores de resistividade apresentados para alguns tipos de solos.
Tabela 2.1 Faixa de valores usuais de resistividade de certos tipos de solos.
Tipo de Solo Resistividade (.m)
Lama 5 a 100
Hmus 10 a 150
Limo 20 a 100
Argilas 80 a 330
Terra de jardim 140 a 480
Calcrio fissurado 500 a 1000
Calcrio compacto 1000 a 5000
Granito 1500 a 10000
Areia comum 3000 a 8000
Basalto 10000 a 20000
Conforme observado anteriormente resistividade do solo importantssima
para os valores de resistncia de um sistema de aterramento, tenses de passo e
contato. Entretanto conforme observado na tabela 2.1 para um mesmo solo h uma
enorme variao destes valores, devido aos fatores j enumerados.
Neste contexto em solos que apresentam elevada resistividade eltrica a
condutncia3 dos eletrodos de aterramento muito inferior em relao a solos de
baixa resistividade, fato este que atesta que para uma mesma magnitude de
corrente de dissipao o gradiente de potencial muito maior em solos que
apresentam alta resistividade eltrica (VISACRO FILHO, 2002).
3 Condutncia o inverso da resistncia eltrica, unidade no SI, Siemens.
-
31
2.3.2 TRANSPORTE INICO PELO SOLO
O solo apresenta trs propriedades fsicas distintas as quais so elencadas
(MACANHO e LIMA, 2005):
Fase slida, composta por partculas minerais formando uma estrutura
porosa, no qual os poros so denominados vazios, e os elementos que o
compe so denominados slidos;
Fase lquida, formada pela gua;
Fase gasosa, composta pelo ar, que se apresenta nos espaos vazios do
solo.
So diversos os fatores que afetam o transporte, o destino e a transformao
de espcies inicas no solo, sendo difcil e complexo o entendimento de como os
ons podem ser mobilizados e o que acontece aps sua mobilizao. J os
processos envolvidos no transporte de metais no meio poroso podem ser
classificados como processos qumicos que esto relacionados interao on-solo,
isto , a transferncia dos ons da soluo por partculas slidas ou vice versa e a
processos fsicos que descrevem a movimentao fsica atravs do espao poroso
(DELGADO, 1991).
Na frao inorgnica do solo os principais minerais encontrados so
compostos dos anions sulfato, cloreto, haleto, carbonato, sulfito, xido, hidrxido,
xi-hidrxido, fostato, siliconato e aluminossilicato. J na frao orgnica do solo so
encontrados os resduos orgnicos formados por tecidos de plantas e animais em
vrios estgios de decomposio, tecidos microbianos vivos, substncias no
hmicas como aminocidos, gorduras, carboidratos, e substncias hmicas4
(STEVENSON, 1994).
2.3.3 TRATAMENTO QUMICO DO SOLO
Como todo sistema de aterramento depende totalmente das condies,
caractersticas e resistividade aparente do solo, ento uma das maneiras de diminuir
a resistncia eltrica do aterramento alterando as caractersticas do solo com
4 Substncias hmicas: so ligadas atividade de enzimas e microrganismos do solo sobre o material orgnico incorporado, cuja principal fonte constituda pelos resduos vegetais.
-
32
procedimentos de tratamento qumico, visando atingir os valores padres. Os
materiais empregados para um bom tratamento do solo devem ter as seguintes
caractersticas (KINDERMANN e CAMPAGNOLO, 1995):
Excelente higroscopia (facilidade em absorver gua).
No lixiviao5, no corrosividade e no toxidade;
Baixa resistividade eltrica;
Estabilidade qumica no solo;
No causar dano natureza.
Atualmente so comercializados e utilizados os seguintes produtos e
compostos qumicos para realizao do tratamento de solos de alta resistividade:
Bentonita: material argiloso, no corrosivo (pH alcalino) que absorve
facilmente a gua, retendo a umidade, de boa conduo de eletricidade e
baixa resistividade (1,2 a 4 .m);
Earthron: material lquido de lignosulfato (principal componente da polpa da
madeira) mais um agente geleificador a sais inorgnicos que no solvel em
gua e no corrosivo, quimicamente estvel e cujo efeito de longa durao.
Gel: mistura de diversos sais, quimicamente estvel, no solvel em gua,
higroscpico, no atacado por cidos contidos no solo.
Figura 2.5 Tratamento qumico do solo. (Adaptado MIT 163104 da Copel, 2004)
5 Lixiviao: Processo de extrao de determinada substncia presente em componentes slidos atravs de sua dissoluo num lquido.
-
33
Entretanto segundo a norma de aterramento em redes de distribuio da
Copel o processo de tratamento qumico do solo que vislumbra a diminuio de sua
resistividade apresenta o problema da utilizao de produtos qumicos,
anteriormente elencados, que no so estveis ao longo do tempo e seus
subprodutos so facilmente lixiviados (lavados) pela ao da chuva no solo. Nestas
condies verifica-se um acrscimo sobre o valor da resistncia de aterramento com
o tempo, devido lixiviao do produto aplicado. Alm disso, esses produtos
normalmente atacam o material constituinte da malha (hastes e condutores),
provocando corroso e oxidao e, portanto, aumentando de qualquer forma o valor
da resistncia de aterramento.
2.3.4 CORROSIVIDADE DO SOLO
Como j mencionado a ao corrosiva do solo est diretamente
correlacionada com suas caractersticas fsico-qumicas, microbiolgicas e tambm
associadas s condies que dado sistema de engenharia coexiste, depende e
opera, quais sejam: fundaes de estruturas civis, tubulaes metlicas enterradas,
malhas e eletrodos de aterramento eltrico, sendo que ainda pode ser
potencializada pela combinao de mais de uma dessas caractersticas (MORENO e
COSTA, 2011).
O trabalho desenvolvido por (NEVEUX, 1968), tabela 2.2, estabelece uma
avaliao da corrosividade do solo atravs da relao entre a resistividade eltrica
no solo em que se situa e seu grau de agressividade. Ele observa que h perigo
certo quando a resistividade for menor que 1000 .cm, h incerteza na faixa de
1000 e 5000 .cm e no h perigo algum quando maior que 5000 .cm.
Tabela 2.2 Grau de corroso do solo em funo da resistividade eltrica.
Grau de Agressividade Resistividade (.cm)
Extremamente agressivo 10000
-
34
2.4 ELETRODO DE ATERRAMENTO
O eletrodo de aterramento um condutor ou conjunto de condutores
enterrados no solo e eletricamente ligados a terra. As normas brasileiras
estabelecem que quando o aterramento utilizar eletrodo de aterramento
convencional a seleo e instalao dos componentes do aterramento devem
obedecer (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995):
O tipo e a profundidade de instalao dos eletrodos de aterramento devem
ser tais que as mudanas nas condies do solo no aumentem a resistncia
do aterramento dos eletrodos acima do valor exigido;
O projeto do aterramento deve considerar o possvel aumento da resistncia
de aterramento dos eletrodos devido corroso;
Resistam s solicitaes trmicas, termomecnicas e eletromecnicas;
Sejam adequadamente robustos ou possuam proteo mecnica apropriada
para fazer face s condies de influncias externas;
Apresente baixo valor de resistncia e impedncia de aterramento;
Tenha distribuio espacial conveniente.
Para uma haste cravada verticalmente em um solo homogneo deve
apresentar um valor de resistncia eltrica que pode ser determinada pela
expresso matemtica a seguir (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995):
=
D
L
LR haste
.4ln.
..21
(2.4)
Sendo:
R1haste resistncia eltrica apresentada por uma haste de aterramento, sem
interferncias de outras hastes, em ;
resistividade aparente do solo, em .m;
L comprimento da haste, em m;
D dimetro da circunferncia equivalente rea da seco transversal da
haste, em m.
-
35
Nem sempre o aterramento com uma nica haste fornece o valor da
resistncia desejada. Neste caso pode-se utilizar como parmetros que influenciam
na reduo do valor da resistncia eltrica (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995):
Aumentar o dimetro da haste;
Dispor as hastes em paralelo;
Aumentar o comprimento da haste;
Reduzir a resistividade aparente do solo com prticas de tratamento qumico
no solo.
Pode-se observar tambm pela equao matemtica 2.4 que a mesma diz
respeito ao formato da cavidade e a geometria que a haste se dispe no solo, to
logo o fluxo formado pelas linhas de corrente eltrica que entram ou saem do solo se
utilizam da forma da cavidade. Neste caso R1haste, refere-se to somente
resistncia eltrica da forma geomtrica do sistema de aterramento interagindo com
o solo, sendo que tal valor representa somente uma parcela da resistncia do
aterramento de um equipamento.
A resistncia total vista pelo aterramento de um equipamento, ou a resistncia
de aterramento conta ainda com as seguintes parcelas (VISACRO FILHO, 2002):
Em escalas menores: a resistncia da conexo do cabo de ligao com o
equipamento, a impedncia do cabo de ligao, a resistncia da conexo do
cabo de ligao com o sistema de aterramento empregado;
Em parcelas considerveis: a resistncia do material que forma o sistema de
aterramento, a resistncia de contato do material com a terra, a resistncia da
cavidade geomtrica do sistema de aterramento com a terra (R1haste) e a
resistncia da terra.
A norma brasileira NBR 5410 - Instalaes Eltricas de Baixa Tenso no
determina a obrigatoriedade de qual material a ser empregado como eletrodo de
aterramento, sendo que atualmente os eletrodos mais utilizados so (KINDERMANN
e CAMPAGNOLO, 1995):
Tipo Copperweld: uma barra de ao de seco circular onde o cobre
fundido sobre a mesma;
Tipo encamisado por extruso: a alma em ao revestida por um tubo de
cobre atravs do processo de extruso;
-
36
Tipo Cadweld: o cobre depositado eletroliticamente sobre a alma de ao
trefilado de seco circular por eletrodeposio em camadas de 20 e 254
mcrons;
Haste de cantoneira de ferro zincado (em desuso).
Como anteriormente mencionado a norma brasileira da ABNT NBR 5410, a
qual possui como um de seus principais objetivos dar provimento a regulamentao
das instalaes eltricas com fornecimento em tenso secundria apresenta
algumas caractersticas de eletrodos convencionais de aterramentos, conforme
informado na tabela 2.3.
Tabela 2.3 Eletrodos de aterramento convencionais. (Adaptado da NBR 5410, 2004)
Tipo de Eletrodo Dimenses mnimas Observaes
Tubo de ao zincado 2,40 m de comprimento e
dimetro nominal de 25 mm
Enterramento totalmente
vertical
Perfil de ao zincado Cantoneira de (20mmx20mmx3mm) com 2,40 m de comprimento Enterramento totalmente
vertical
Haste de ao zincado Dimetro de 15 mm com 2,00
ou 2,40 m de comprimento
Enterramento totalmente
vertical
Haste de ao revestida
com cobre
Dimetro de 15 mm com 2,00
ou 2,40 m de comprimento
Enterramento totalmente
vertical
Haste de cobre Dimetro de 15 mm com 2,00
ou 2,40 m de comprimento
Enterramento totalmente
vertical
Fita de cobre 25 mm de seo, 2 mm de espessura e 10 m de comprimento
Profundidade mnima de 0,60 m. Largura na
posio vertical
Fita de ao galvanizado 100 mm de seo, 3 mm de espessura e 10 m de comprimento
Profundidade mnima de 0,60 m. Largura na
posio vertical
Cabo de cobre 25 mm de seo e 10 m de comprimento
Profundidade mnima de 0,60 m. Posio
horizontal
Cabo de ao zincado 95 mm de seo e 10 m de comprimento
Profundidade mnima de 0,60 m. Posio
horizontal
Cabo de ao cobreado 50 mm de seo e 10 m de comprimento
Profundidade mnima de 0,60 m. Posio
horizontal
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37
2.4.1 MATERIAIS DE SISTEMAS DE ATERRAMENTO
Conforme informao da tabela 2.3, as caractersticas dos principais materiais
utilizados em sistemas de aterramentos so elencadas nos subtpicos que se
sucedem.
2.4.1.1 COBRE
Cobre o metal mais utilizado na eletricidade em geral e tambm em
sistemas de aterramento devido a sua elevada condutividade e por sua posio
privilegiada na tabela eletromotiva, maior tendncia de comportar-se como ctodo
em relao a outros metais presentes no solo e apresentar maior resistncia frente a
solos corrosivos (VISACRO FILHO, 2002).
Entretanto malhas de aterramento constitudas em cobre formam clulas
galvnicas em potencial, caso estejam enterradas prximas a estruturas de aos e
tubulaes metlicas, promovendo a corroso destes, e em outras situaes tendem
a corrosividade, a ser apresentadas na sequncia deste trabalho.
2.4.1.2 AO COBREADO
o estado material das principais hastes encontradas no mercado, tendo
como alma do eletrodo o ao e camada de revestimento em cobre. Para sistemas
eltricos de CA e surtos de altssima frequncia, devido a fenmenos atmosfricos e
chaveamentos de rede o efeito pelicular6 explica a conduo pela camada de cobre
externa. Entretanto o grande problema percebido em malhas de aterramento com
ao cobreado a corroso, devido principalmente a duplicidade de materiais de
potenciais eletromotivos distintos empregados em cada haste (MORENO e COSTA,
2011).
Neste contexto a norma NBR 13571 que titula-se: Haste de Aterramento Ao
Cobreada e Acessrios da ABNT, apresenta a normatizao vigente das
caractersticas tcnicas referente aos eletrodos de aterramento cobreados, sendo a
figura 2.6 representativa desta padronizao.
6 Efeito Pelicular ou Efeito Skin: Em sistemas eltricos oscilantes o comportamento apresentado na conduo de corrente eltrica pelas extremidades ou bordas de um condutor cilndrico.
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Figura 2.6 Padronizao de haste de ao cobreada. (Adaptado NBR 13571,1996)
As letras representam:
C espessura de revestimento do cobre, em m;
D dimetro da haste de aterramento, em m;
E dimetro de ponta da haste de aterramento, em m;
H dimenso de ponta da haste de aterramento, em m;
L comprimento da haste de aterramento, em m.
A presente normatizao em suas subsees 5.4.1, 5.4.2 e 6.6.2 especificam
que a haste deve ser protegida contra corroso por um revestimento uniforme de
cobre, obtida pelo processo de eletrodeposio e ter espessura de revestimento em
cobre, apresentada na figura 2.6 como a dimenso C, no inferior a 0,254mm e que
este mesmo revestimento protetor de cobre deve ser suficientemente plstico e
malevel afim de acompanhar a deformao do ncleo no ensaio de dobramento,
no devendo apresentar fissuras, deslocamentos, rachaduras e enrugamentos.
J o material trefilado da barra cilndrica do ncleo da haste, alma, deve ser
em ao carbono, ABNT 1010/1020 em conformidade com a norma da ABNT NBR
NM 87 de 2000 - Ao Carbono e Ligados para Construo Mecnica - Designao e
Composio Qumica.
2.4.1.3 ALUMNIO
Utilizado geralmente em aterramentos de equipamentos cuja carcaa
tambm em alumnio ou ligas de alumnio, porm apresenta susceptibilidade a
corroso em alguns tipos de solos, sendo que sua camada superficial formada aps
corroso torna-se uma pssima condutora de corrente eltrica. Outro fato importante
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a mencionar que em sistemas eltricos de CA a corroso gradual do alumnio
muito mais efetiva em relao aos outros materiais. Devido a sua posio na tabela
eletromotiva, o alumnio apresenta comportamento de nodo em relao a um meio
eletroltico com metais encontrados enterrados. Para este caso o alumnio deve ser
utilizado como eletrodo de aterramento aps minunciosa investigao.
Segundo (MORENO e COSTA, 2011) uma das diferenas mais marcantes
entre o cobre e o alumnio est na forma de realizar as conexes entre condutores e
a haste. Pois quando exposto ao ar, a superfcie do alumnio imediatamente
recoberta por uma camada invisvel de xido, de difcil remoo e altamente isolante,
sendo que em condies normais ao prover conexo entre um condutor de alumnio
e uma haste tambm em alumnio como se estivssemos colocando em contato
dois metais isolados eletricamente, ou seja, no haveria um bom contato eltrico
entre eles. Logo em conexes em alumnio, um bom contato somente conseguido
atravs do rompimento desta camada de xido, funo esta obtida somente atravs
da utilizao de conectores de presso apropriados.
2.4.1.4 AO
Tambm utilizado em sistemas de aterramento, principalmente em
concepes de vrios sistemas aterrados equipotencializados que apresentam
SPDA estrutural, ou o chamado vergalho rebar. Devido a sua grande tendncia a
corroso, geralmente se utiliza ao galvanizado a fogo.
2.5 CORROSO EM SISTEMAS DE ATERRAMENTO ELTRICO
Corroso origina-se do latim corrodere, que significa destruio gradativa ao
longo do tempo, associada degradao das propriedades dos metais ao do
meio. Tal fato deve-se ao processo natural que o metal apresenta a retornar ao seu
estado primitivo, ou seja, estado mineral (GENTIL, 2003).
J (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995) afirma que em sistemas de
aterramento eltrico tal ao reduz a durabilidade de seus materiais constituintes e
principalmente desempenho e confiabilidade. Neste contexto a corroso em
sistemas de aterramento eltrico est associada corroso metlica, que a
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transformao de um material ou liga metlica pela interao qumica ou
eletroqumica num determinado meio de exposio, processo o qual resulta na
formao de produtos de corroso e na libertao de energia. Quase sempre a
corroso metlica, devido ao mecanismo eletroqumico, est associada exposio
do metal num meio no qual existe a presena de molculas de gua juntamente com
o gs oxignio ou ons de hidrognio num meio condutor.
Ainda segundo (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995) os sistemas de
aterramento so constitudos por materiais condutores base de metais e estando
sob um meio eletroltico, terra, o processo de corroso sempre estar presente, pois
condutores, hastes e conexes enterradas em solo (meio eletroltico), sofrero os
efeitos da corroso alicerados pelos seguintes fatores enumerados:
Heterogeneidade dos materiais que formam o sistema de aterramento;
Heterogeneidade dos solos abrangidos por malhas e sistemas de
aterramentos;
Heterogeneidade do tipo e concentrao de sais, matria orgnica e umidade
do solo no qual o sistema de aterramento se encontra presente;
Variao de temperatura no sistema de aterramento;
Aerao diferencial;
Ao de correntes de fuga ou parasitas.
2.5.1 REAO DE CORROSO
Para realizao do processo de corroso eletroqumica necessria
presena dos quatro elementos a seguir, os quais agrupados em condies
propcias formaro a pilha eletroqumica (GENTIL, 2003):
Eletrodo andico: o qual libera os seus ons positivos para o meio eletroltico,
gerando excesso de eltrons, associado ao potencial negativo;
Eletrodo catdico: elemento que no se dissolve na reao eletroqumica,
sendo considerado o eletrodo protegido, logo se estabelece como potencial
positivo;
Eletrlito: meio no qual se processa a reao de formao de ons;
Ligao externa: meio fsico que propicia a conduo dos eltrons do nodo
para o ctodo.
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Devido circulao da corrente eltrica o processo de corroso sempre
realizar-se- sobre o nodo, isto , no potencial negativo. O nodo dissolve o seu
metal gerando eltrons e mantendo o potencial negativo. Logo os ons positivos so
liberados ao eletrlito, caracterizando a corroso. Neste caso pode-se generalizar
que o eletrodo que sofrer o processo de corroso ser sempre o eletrodo que
recebe nions da soluo eletroltica.
Figura 2.7 Pilha eletroqumica contextualizada.
(Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)
Salienta-se que em dado sistema de aterramento eltrico a resistncia de
terra funciona como eletrlito da pilha eletroqumica formada, logo ela quem limita
o fluxo de corrente. Portanto solos com baixa resistividade podem resultar em altas
correntes, propiciando elevada corroso galvnica (MORENO e COSTA, 2011).
2.5.2 ELETRONEGATIVIDADE DE METAIS
Os metais apresentam como caracterstica principal a eletropositividade, ou
seja, a tendncia que um tomo possuiu em perder eltrons, entretanto a
eletronegatividade dos metais est associada diferena de potencial que ir
ocasionar uma intensidade de corrente eltrica que percorrer metais diferentes,
proporcionando a reao de corroso. A tabela 2.4 mostra a srie eletromotiva dos
metais, tendo como padro o potencial do elemento hidrognio, que apresenta o
valor referencial de zero nesta srie (MORENO e COSTA, 2011).
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Tabela 2.4 Srie eletromotiva dos metais a 25C. (MORENO e COSTA, 2011)
Metal Potencial (V) Comportamento
Brio 2,90 Extremidade andica (bsica)
Clcio 2,87
Sdio 2,71
Magnsio 2,40
Alumnio 1,70
Zinco 0,76
Nquel 0,23
Chumbo 0,12
Ferro 0,04
Cobre -0,34
Prata -0,80
Mercrio -0,80
Ouro -1,50 Extremidade catdica (nobre)
Esta tabela eletromotiva estabelece uma anlise da corroso galvnica que
ocorre quando dois materiais diferentes, imersos em um meio apropriado (eletrlito)
formam uma pilha eletroqumica. Atualmente os eletrodos de cobre, utilizados em
aterramentos, apresentam srios efeitos em seus valores de resistncia eltrica
devido a processo de corroso constitudos em estruturas7 de ferro ou de ao, que
pertenam a sistemas de proteo contra descargas atmosfricas e se encontram
eletricamente conectadas a aqueles.
Com este intuito esta composio elenca que o ctodo ser o metal
eletricamente mais negativo entre dois metais constitudos em diferentes pontos na
srie eletromotiva. Neste ponto o cobre apresenta uma condio de destaque em
relao aos demais metais, estando mais prximo da extremidade nobre da srie
eletromotiva, o que elucida um maior comportamento catdico frente a processos
eletroqumicos envolvendo os demais metais. Nota-se ainda pela srie eletromotiva
que na formao de pilhas eletroqumicas galvnicas formadas no solo pode ocorrer
induo da corrosividade nos mais diversos materiais metlicos existentes que se
encontram enterrados em proximidade, e sob o estabelecimento de condies
favorveis, o processo corrosivo torna-se inevitvel.
7 Estruturas de ferro ou ao: Menciona-se o fato de geralmente encontrarem-se enterrados em proximidades aos eletrodos de aterramento, tubulaes de ferro (gua ou gs) e estruturas em ao de sapatas e fundaes de prdios, torres ou estruturas civis.
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No contexto anteriormente elucidado, o exemplo a seguir dado pela figura 2.8
vislumbra a anlise do funcionamento da srie eletromotiva de diferentes metais
frente a um processo ambientado de corroso galvnica atravs de distintos
sistemas de engenharia funcionais que coexistem enterrados no solo, quais sejam:
fundao estrutural de uma edificao, tubulao de gua e ou gs e aterramento
eltrico. A posio relativa de cada metal na srie eletromotiva determina a diferena
de potencial presente entre estes dois metais e que responsvel pela circulao de
uma corrente eltrica que sai da tubulao de ferro (nodo) para o eletrodo de
aterramento (ctodo). No caso em questo, o potencial do ferro +0,04V e o
potencial do cobre -0,34V, o que resulta em uma diferena de potencial entre ambos
de 0,38V e que possibilita a circulao de uma corrente eltrica, estabelecendo
dessa maneira a corrosividade (MORENO et COSTA, 2011).
Figura 2.8 Corroso galvnica envidenciada atravs da formao de pilha galvnica.
(Adaptado de MORENO e COSTA, 2011)
2.5.3 HETEROGENEIDADE DOS MATERIAIS QUE COMPE O SISTEMA DE ATERRAMENTO
ELTRICO
Um dos grandes problemas existentes em sistemas de aterramento a
utilizao de materiais de diferentes metais, os quais apresentam
eletronegatividades diferentes e que possibilitam a gerao da fora eletromotriz
para formao da pilha eletroqumica.
Um exemplo clssico, conforme figura 2.9, consiste no aterramento comum
de transformadores para baixa tenso, sendo que o mesmo realizado por um
condutor de descida, geralmente em ao ou ferro, conectado a hastes de
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aterramento cobreados. Como o solo contm sais dissolvidos em gua, tm-se
assim a formao de eletrlito e consequentemente a pilha eletroqumica est
formada atravs do fluxo de eltrons (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995).
Outro exemplo a utilizao de metais diferentes quando da conexo entre o
condutor de aterramento a haste, geralmente utiliza-se como conectores materiais
como o bronze e o lato que em conectividade com o cobre formam o sistema de
aterramento eltrico. Logo se observa a grande tendncia para evoluo da
corroso do sistema envolvido devido aos distintos materiais empregados, sendo
que deste fato a realizao desta conexo atravs de solda exotrmica em relao
conexo com conectores configura-se a melhor opo.
Figura 2.9 Aterramento de BT com condutor em ao e haste em cobre. (Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)
2.5.4 HETEROGENEIDADE DOS SOLOS ABRANGIDOS POR MALHAS DE ATERRAMENTO
Este caso ocorre quando uma rea grande no solo provida pelo sistema de
aterramento, pois sendo o solo heterogneo, cada parte tem diferentes
concentraes e distribuio de matria orgnica, sais, temperatura e umidade,
apresentando verdadeiras zonas andicas e catdicas na regio ao qual o
aterramento est contido (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995).
Na figura a seguir verifica-se que os eltrons saem da malha pela zona
catdica e entram na zona andica. Logo, verifica-se que os metais que compem a
malha de terra na zona andica, sero corrodos, e os da zona catdica sero
protegidos. A regio de solo com menor resistividade apresentar-se- como zona
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andica, logo ser a rea onde ocorrer o processo de corroso. Entretanto como a
malha encontra-se conectada, logo equipotencializada, a corroso realizada sobre
determinada zona andica elevar o valor da resistncia de aterramento da prpria
malha.
Figura 2.10 Malha de aterramento em zonas de solos distintos.
(Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)
Outro fato interessante referente a estes sistemas de aterramento em malhas,
da qual apresentando corrosividade sob determinado eletrodo contido nesta malha
poder vir acarretar um aumento da tenso de passo8 na prpria malha existente,
proporcionando a no equipotencializao do sistema e consequente queima de
equipamentos e riscos de choques eltricos. Fato importante a salientar que em
aterramentos profundos, a haste transpe vrias camadas de solos com
composies distintas, gerando vrias regies andicas e catdicas sobre um
mesmo eletrodo.
O caso apresenta enorme complexidade sobre um sistema de distribuio de
energia eltrica com fornecimento em tenso secundria, ou seja, distribuio em
baixa tenso com neutro contnuo, pois como h uma grande diversidade de
aterramentos distribudos por toda a cidade que abrangem reas com solos distintos
e hastes cravadas para cada imvel, em numerosos sistemas de aterramentos
diferentes e normatizados: TNC, TNCS, TNS e TT, ocorrem formao de vrias
pilhas eletroqumicas e por estes sistemas no encontrarem-se ligados, ou seja,
equipotencializados, as correntes de fuga percorrem todos estes diferentes sistemas
de aterramento que coexistem neste sistema eltrico no isolado.
8 Tenso de passo: Mxima diferena de tenso eltrica (potencial) a que est submetida uma pessoa ao andar nas proximidades de um sistema de aterramento.
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Estas correntes circulando pelo solo iro corroer os metais contidos em reas
de regies andicas, quais sejam eletrodos de aterramento, tubulaes de ferro
(gua ou gs), sapatas e ferragens de edificaes, viadutos, tanques enterrados,
torres de telecomunicaes, etc; logo, todos os metais que esto em reas de solos
com menores resistividades.
2.5.5 HETEROGENEIDADE DEVIDO A CONCENTRAO DE SAIS, UMIDADE E VARIAO DA
TEMPERATURA DO SOLO
Este tpico vem novamente alicerar a ideia de que material de mesma
natureza e em malha de aterramento e que possua equipotencialidade eltrica
garantida, situado em regio do solo de menor resistividade, isto , sob uma zona
andica, ser corrodo. Pois apesar de termos um solo que apresente a mesma
natureza ao longo da malha, a diferena de concentraes de solues, tipos de
sais e umidade produzem estas zonas andicas e catdicas, (KINDERMANN e
CAMPGNOLO, 1995), conforme apresenta a figura 2.11.
Figura 2.11 Mesmo solo com distintas concentraes de sais e umidade. (Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)
J quando um sistema de aterramento encontra-se em regies com
temperaturas distintas, tem-se a ao termogalvnica, sendo que a regio com
temperatura superior agir como nodo, e ser corroda, e a regio mais fria ser
protegida.
Tal situao principalmente condicionada a hastes longas e aterradas em
grandes profundidades. A figura 2.12 apresenta esta condio.
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Figura 2.12 Ao termogalvnica em haste profunda. (Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)
2.5.6 AERAO DIFERENCIAL
mais pronunciado em solos porosos, pois nestes solos com aerao
diferente, tem-se a formao de eletrlitos diferentes, criando as regies andicas e
catdicas, logo a pilha eletroqumica formada por aerao diferencial devido a
diferena de concentrao de oxignio (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995).
Neste caso, a regio mais aerada da haste o ctodo e a menos aerada
consequentemente ser o nodo, ou seja, a regio corroda. Logo a corroso em um
aterramento profundo, construdo de um mesmo material, ocorre na parte da haste
mais enterrada no solo, conforme visualizada na figura 2.13.
Figura 2.13 Aerao diferencial em solo poroso. (Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)
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Tal fato extremamente preocupante, pois quanto mais profundo a haste de
aterramento encontrar-se instalada maior a dificuldade de verificao da corroso
instalada, devido regio corroda se estabelecer na parte da haste mais distante do
solo e difcil visualizao.
2.5.7 AO DE CORRENTES ELTRICAS DISPERSAS NO SOLO (CORRENTES DE FUGA OU
CORRENTES PARASITAS)
Como o solo configura-se o grande potencial zero, ou seja, referencial para
qualquer sistema eltrico gerado em relao a ele, h correntes provenientes de
diversas fontes geradoras. Estas correntes dispersas (correntes de fugas ou
parasitas) procuram os caminhos de menor resistncia, tais como encanamentos
metlicos, trilhos de transporte ferrovirio ou metr, tubulaes, sapatas e ferragens,
condutores enterrados quaisquer, solos de menor resistividade e principalmente
sistemas de aterramento, conforme se observa na figura 2.14 (CAPELLI, 2007).
Tais correntes dispersas no solo podem apresentar-se de qualquer tipo, ou
seja, contnuas, pulsantes, alternadas. Com relao corroso as correntes
contnuas, so mais atuantes que as correntes alternadas, sendo que a ordem de
grandeza para uma corrente eltrica contnua de mesmo valor, a corrente alternada9
contribui somente com 1% da corroso que a corrente contnua. Deste fato
importante salientar que correntes contnuas so as grandes motivadoras para
sistemas corrosivos atravs da formao da pilha eletroqumica (VISACRO FILHO,
2002).
As fontes geradoras de correntes dispersas nos solos que possuem mais
abrangncia so (KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995):
Correntes galvnicas devido a pilhas eletroqumicas formadas no solo,
geradas atravs dos processos anteriormente mencionados;
Correntes devido trao eltrica de corrente contnua em sistemas de
transporte ferrovirio ou metr, com retorno pelos trilhos;
Corrente alternada em retorno pela terra, sistemas rurais em MRT;
9 Valor eficaz: O valor eficaz de qualquer corrente eltrica peridica igual ao valor da corrente contnua que, passando por uma mesma resistncia entrega a esta a mesma potncia.
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Corrente telrica, geradas pelas variaes de campos magnticos
provenientes da movimentao do magma terrestre;
Corrente contnua em sistema de transmisso em CC atravs do
estabelecimento de bipolos, com retorno pela terra;
Correntes alternadas provenientes de curto-circuito em sistemas de energia
eltrica com a existncia de correntes de sequncia zero10.
Figura 2.14 Correntes eltricas de fuga presentes no solo provocando corroso em uma malha de
aterramento eltrico. (Adaptado de KINDERMANN e CAMPGNOLO, 1995)
Notadamente os pontos onde estas correntes de eltrons entram no condutor
formaro uma regio andica, a qual sofrer corroso e a regio catdica, protegida,
ser a regio formada pelas partes onde o fluxo de eltrons deixa o condutor.
Percebe-se que sistemas de aterramento sempre se encontraro sob ao de
potenciais de corrosividade, dado que a rede de distribuio secundria de energia
das cidades concebida para atuar em esquemas de aterramentos TN e TT, os
quais apresentam os mais variados tipos de metais funcionando como eletrodos de
aterramento enterrados sob as mais diversas composies de solos que
consequentemente apresentam resistividades eltricas diferentes, somado a
proximidade de tubulaes de gua, gs e outros subsistemas existentes, como
sapatas e estruturas civis enterradas. Outro fato o descaso existente nos projetos
de malhas, seja devido omisso frente a uma anlise profunda no estudo do solo e
dos materiais utilizados, emprego e disposio de hastes, e a eventuais substncias
qumicas presentes no solo que comprometam seu estado fsico e atacam o metal
responsvel pela condutividade e escoamento das cargas eltricas terra.
10 Correntes de sequncia zero: Tpicas de sistemas eltricos que envolvam a referncia de terra, na anlise de curto-circuito em sistemas eltricos desequilibrados as correntes de sequncia zero permitem que a corrente eltrica de curto-circuito circule pela terra.
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2.6 TCNICAS ELETROQUMICAS DE PESQUISA
Visando o desenvolvimento do mto
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