Secção Técnica Temática de trabalhos da A.R.L.A.

Artigos de natureza técnica ou histórica

Aterramentos funcionais e de protecção ( 1 )

[ Miguel Andrade - Agosto 2001 ]

No desenvolvimento desta série de três artigos, serão abordadas numa forma muito sumária e a título informativo as questões do aterramento funcional e do sistema de protecção contra descargas atmosféricas, pois um dos componentes habitualmente mais negligenciados de uma estação de amador é precisamente a ligação à terra.

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A incorporação de um bom sistema de terra eficiente é muito importante em qualquer estação de radiocomunicações e é muito mais do que um imperativo legal.

A sua inexistência acarreta como consequência uma menor eficiência da estação e agrava as possibilidades da ocorrência de interferências… já para não falar nas justificações em termos de segurança, ao contribuir para evitar acidentes com consequências nefastas ao operador e seus familiares.

Quando está presente e é bem concebido, o sistema de terra minimiza as correntes de radiofrequência que passam na malha do cabo coaxial e no chassis do emissor, os quais são quase sempre responsáveis por interferências nos equipamentos electrónicos da habitação, ( sobretudo os que estiverem próximos da área destinada à estação ). O próprio emissor fica assim protegido contra realimentações de radiofrequência ( " feadback " ) ou da passagem de uma corrente inadequada através dos seus componentes lógicos que provocam avarias e mal funcionamentos.

Todavia, a maioria dos radioamadores, ( sobretudo os que vivem em centros urbanos e habitam em edifícios de apartamentos ), ignoram completamente esta questão, pois para quem não possui terreno próprio a incorporação de um sistema de terra de propósito para a estação é geralmente muito difícil ou mesmo impraticável.

Quer seja por motivos de ordem física, quer seja por descuido, na generalidade dos casos a também a protecção individual contra as descargas eléctricas, a protecção da estação e seus elementos irradiantes contra descargas atmosféricas, tal como a simples ligação à terra da instalação doméstica não estão sequer presentes em grande número de estações do serviço de amador, ou quando estão, muitas vezes infelizmente não são eficazes… como se afirma no ditado popular - « em casa de ferreiro, espeto de pau ».

Há contudo várias soluções possíveis mesmo para os casos mais complicados.

Nestes primeiros dois artigos serão abordados alguns conceitos e procedimentos relacionados sobretudo com aterramentos funcionais e de protecção pessoal contra riscos de acidente provocados em particular pelo uso da rede de fornecimento de energia doméstica da rede de distribuição pública de baixa tensão ( 220 VCA ).

Mesmo que todos os equipamentos de emissão/recepção sejam alimentados por 13,8 VCC e não exista qualquer presença de corrente alterna na estação, não devem ser negligenciados os temas abordados, sobretudo no último artigo desta série, porque as próprias antenas no exterior se podem tornar num perigoso ponto de potenciais descargas atmosféricas sem protecção.

Alguns conceitos úteis para as matérias que se seguem nos dois primeiros artigos :

O aterrameto, o que é ?

A palavra aterramento é usada como referência à ligação à terra propriamente dita. Como terra neste caso entenda-se a massa condutora da terra.

Em termos práticos, o aterramento é, na sua forma mais simples, um dispositivo enterrado, ( um eléctrodo, uma chapa, um cabo ou uma barra de cobre ), por onde se pretende que passe a corrente eléctrica para o solo quando necessário.

Deste modo, quando se diz que algum aparelho está aterrado, ( ou electricamente aterrado ), significa que um dos condutores do seu cabo de ligação à rede de fornecimento de energia está propositadamente ligado à terra.

Ao condutor que faz essa ligação denominamos vulgarmente em linguagem comum como o " fio terra ".

Perante a legislação em vigor é obrigatório que todas as tomadas de fornecimento de energia tenham o seu fio terra. Já se vêem actualmente nas novas instalações a ligação à terra por defeito, pelo que muitos aparelhos no próprio cabo de ligação à energia já estão providos desta ligação. Contudo, nomeadamente em casas antigas ou prédios com uma certa idade, há instalações eléctricas em que este sistema está ausente.

Quando os aparelhos já vêem providos de conexões próprias para o efeito utiliza-se uma tomada de energia eléctrica com três pólos onde será ligado o cabo do aparelho com a respectiva ficha terminal de alimentação de energia.

Caso contrário, uma tomada com dois pólos é suficiente, contudo deve sempre ser feita a respectiva ligação no terminal destinado à ligação à terra, nomeadamente no caso dos emissores.

Alguns aparelhos eléctricos de uso doméstico não precisam de ligação à terra. Eles são concebidos de tal forma que uma eventual corrente que " se escape " não causaria risco às pessoas. Para a sua ligação é usada uma tomada com apenas dois pólos, um para o fio fase e outro para o fio neutro.

A propósito deste assunto é importante acrescentar que os condutores fase e o neutro são os responsáveis pela alimentação de energia dos aparelhos. Por norma, a cor do fio neutro é quase obrigatoriamente azul, enquanto que o fio fase pode ser vermelho, branco ou castanho.

Em caso de dúvidas, consulte-se sempre o manual do aparelho fornecido pelo fabricante.
É obrigatório que os fios condutores neutro e terra sejam separados logo no quadro de distribuição e instalados na mesma calha ou caminho em que está o fio fase. O fio terra das tomadas deve ser ligado ao terminal de aterramento do quadro de distribuição. Estes procedimentos são fundamentais para evitar danos aos aparelhos eléctricos e para protecção das pessoas em caso de qualquer problema.

Porque é importante um aterramento eléctrico ?

O condutor de terra tem a função de canalizar qualquer corrente eléctrica que em caso de avaria pode electrificar as pessoas por contacto com aparelhos defeituosos ou materiais em tensão e conduzir essa energia para a terra, impedindo-a de atingir corpo das pessoas. Ele é fundamental para a protecção dos habitantes de uma casa contra os choques eléctricos, absorvendo e encaminhando para a terra as correntes que escapam ao normal funcionamento dos aparelhos.

Por esta razão é obvio porque é que todas as instalações tenham o seu fio terra.

Embora sejam propostas as mais variadas soluções, algumas das quais são francamente desaconselháveis e podem constituir uma armadilha mortal até para terceiros.

Deverão ser sempre adoptadas as disposições de prevenção realizadas de modo a serem seguras e duráveis para poderem garantir a protecção das pessoas contra os perigos específicos das electricidade.

A protecção contra os perigos que as instalações eléctricas podem vir a representar são nomeadamente contra riscos de contactos directos e protecção contra contactos indirectos com materiais ou partes de aparelhos ou do circuito em tensão.

A protecção contra contactos directos consiste em defender as pessoas contra riscos de contacto com as partes activas, envolvendo sobretudo medidas preventivas, todavia nas instalações de tensão reduzida são permitidas excepções a esta regra.

A protecção contra os contactos indirectos tem como função proteger as pessoas contra os riscos a que podem ficar sujeitas em resultado de as massas ficarem acidentalmente sobre tensão.

Uma das formas de implementação da protecção contra os contactos indirectos consiste na ligação à terra, directamente ou por intermédio do neutro da instalação, associada a um aparelho de corte automático que faça a desligação da instalação, ou pelo menos da parte defeituosa.

Outra função é a protecção dos aparelhos eléctricos em si contra picos de energia. Se o sistema estiver bem montado e for eficaz, ele descarregará para a terra as correntes anómalas e estabilizará as tensões quando ocorrer qualquer avaria ou defeito nas instalações.

Podemos compará-lo ao cinto de segurança de um automóvel.

Tal como um veículo funciona na mesma e continua a transportar pessoas que não utilizem o cinto de segurança, os aparelhos também funcionam todos se não possuírem o fio terra. Por isso, muitas vezes as pessoas não se lembram de providenciar a ligação à terra, fazendo com que os riscos à sua segurança e dos próprios aparelhos aumentem, na mesma forma e proporção do que no automóvel que se envolve num acidente quando seus ocupantes não usam o cinto de segurança.

O que é resistência de aterramento ?

Um ponto que levanta algumas dúvidas é o valor da resistência de aterramento.

Este conceito é a medida da capacidade do aterramento para descarregar a energia em direcção à terra.

Quanto menor essa resistência, melhor para a instalação, pois mais rápida será a actuação das protecções e a sua capacidade de escoamento.

Embora alguns fornecedores cheguem a exigir 1 ohm, sobretudo nos sistemas de protecção contra descargas atmosféricas, em geral as normas nacionais de instalação eléctrica exigem um valor máximo em torno de 25 ohms.

Habitualmente mesmo contra descargas atmosféricas recomenda-se um valor máximo de 10 ohms, mas sempre que possível este valor deve ser adoptado para todas as instalações.

O que é a ligação equipotencial ?

É uma parte do sistema de protecção que visa igualar o potencial entre os diferentes componentes de modo a impedir descargas laterais. Estas descargas laterais, também conhecidas como correntes de sobretensão, são causadas por diferenças de potencial entre a corrente que percorre o condutor e objectos próximos. Elas são o resultado da resistência finita dos condutores à passagem de corrente eléctrica e a indução magnética.

O estabelecimento de ligações equipotenciais consiste em unir entre si todas as massas e os elementos condutores estranhos de uma instalação simultaneamente acessíveis, para evitar que possam aparecer, em qualquer momento, diferenças de potencial perigosas.

Esta medida pode ainda compreender a ligação à terra das ligações equipotenciais , evitando assim, igualmente as diferenças de potencial que possam apresentar-se entre as massas ou os elementos condutores e o solo. Se o circuito não se prolongar até aos locais próximos desta ligação, incluindo aqueles em que não existir instalação eléctrica, é necessário associar à instalação eléctrica com equipotenciais ligados à terra um dos seguintes sistemas :

  1. Ligação directa das massas à terra e emprego de um aparelho de protecção, de corte automático, associado.

  2. Ligação directa das massas ao neutro e emprego de um aparelho de protecção, de corte automático, associado.

  3. Emprego de um aparelho de protecção, de corte automático, sensível à tensão de defeito.

O que é a massa ?

Qualquer elemento metálico susceptível de ser tocado, em regra isolado das partes activas de um material ou aparelho, eléctricos, mas podendo ficar acidentalmente sob tensão. ( artigo 56º do Decreto-lei nº740/74 de 26 de Dezembro ).

A ligação eléctrica destas partes metálicas acessíveis nos materiais e aparelhos eléctricos, normalmente isoladas das partes activas, só ficam acidentalmente em ligação eléctrica em virtude de uma deficiência das disposições tomas para se assegurar o seu isolamento.

Estas deficiências podem ser resultado de um defeito do isolamento funcional ou das disposições de fixação e protecção.

São consideradas « massas » os invólucros metálicos dos aparelhos eléctricos, as bainhas metálicas e armaduras dos cabos, os tubos e condutas metálicas, as estruturas e os apoios metálicos utilizados para fixação de canalizações eléctricas, aparelhos eléctricos com isolamento funcional, as peças metálicas colocadas em contacto com o invólucro exterior dos aparelhos e outros materiais do género, mesmo que tenham um revestimento exterior de material isolante.

O que é que pode ser considerado isolamento ?

Como isolamento é considerado o conjunto de todos os materiais não condutores que compõem um aparelho com a função de isolar as suas partes activas ( que entram em tensão, isto é, partes afectas à presença de energia ).

Como isolamento funcional entenda-se o isolamento necessário para garantir a protecção contra contactos directos acidentais com partes em tensão, de forma a assegurar o funcionamento conveniente de um aparelho.

Como isolamento de protecção ou suplementar entenda-se todo o isolamento independente do funcional destinado a garantir a protecção contra contactos directos com um aparelho ou partes dele em tensão em caso de defeito do isolamento funcional. Quando o isolamento assuma características mecânicas e eléctricas que permitam considerá-lo como a conjugação destes dois tipos dá-se a designação de duplo isolamento.

O que é a corrente de fuga ?

Toda e qualquer corrente, ( independentemente do seu valor ), que se escoa entre as partes activas de um material ou aparelho e as massas e condutores de protecção ou a terra, mesmo na ausência de qualquer defeito de isolamento. A corrente de fuga resulta do facto de a resistência de isolamento não ter um valor muito elevado e da existência de capacidades.

Regras gerais

Como norma geral, devemos ter em consideração que as características e a eficácia das ligações à terra ( ou aterramentos ) devem satisfazer as prescrições de segurança das pessoas e todas as necessidades funcionais de uma instalação. Se nos referimos às instalações radioeléctricas esta norma deve ainda ser reforçada com o conceito de ligação à terra própria para satisfação das precauções a ter com a radiofrequência.

O circuito de protecção completo é o conjunto de condutores de protecção ( geral e derivados ), os eléctrodos de terra, todos os dispositivos de protecção e as suas ligações.

Consideram-se condutores de protecção aqueles que não estão activos e que se destinam a integrar as massas de uma instalação no circuito de protecção. Quanto aos dispositivos de protecção, eles são todos os meios destinados a assegurarem, por corte, a protecção contra contactos acidentais. Estes dispositivos geralmente são constituídos por aparelhos contra sobreintensidades como os corta-circuitos, os fusíveis ou os dijuntores.

Outra norma importante é a de que o valor da resistência de aterramento deve satisfazer as condições de protecção e de funcionamento de qualquer instalação eléctrica. Qualquer que seja sua finalidade ( protecção ou funcional ) este componente obrigatório na estação de radiocomunicações deve ser único como em qualquer instalação que siga as máximas neste âmbito, mas sobretudo que cumpra a legislação aplicável em vigor. Para casos específicos, mas sempre de acordo com as prescrições de cada instalação, podem ser usados sistemas comuns, desde que sejam tomadas as devidas precauções.

A selecção e instalação dos componentes dos aterramentos devem ser cuidadosamente estudados para que:

  1. O valor da resistência de aterramento obtida não se modifique consideravelmente ao longo do tempo;

  2. Os materiais usados resistam às solicitações térmicas, termomecânicas e electromecânicas;

  3. Os componentes deste sistema sejam adequadamente robustos ou possuam protecção mecânica apropriada para fazer face às condições de influências externas como as condições meteorológicas e outras.

Deve-se por essas razões prestar-se um especial cuidado na escolha de materiais e na concepção da instalação, de molde a que sejam sobretudo tomadas precauções para se impedirem os danos nos eléctrodos e a outras partes metálicas por efeitos de electrólise.

Como eléctrodo de terra vamos considerar o conjunto de materiais condutores enterrados cuja função é assegurar uma ligação eléctrica com a terra, num único ponto, ao condutor geral de protecção. A este ponto único denomina-se o ligador de eléctrodo, o qual consiste num dispositivo de ligação colocado na proximidade do pontoem que o eléctrodo de terra emerge do solo e ao qual liga o condutor geral de protecção. Este ligador de eléctrodo permite nomeadamente separar o eléctrodo de terra do condutor geral de protecção de forma a permitir a respectiva medição de resistência de terra, ( a qual consiste na resistência eléctrica do eléctrodo de terra e do terreno circundante ).

Em muitos países, são usadas como eléctrodo de terra preferencial numa edificação as armaduras de aço embutidas no betão armado das fundações dos modernos edifícios. A experiência tem demonstrado que as armaduras de aço das estacas, dos blocos de fundação e das vigas baldrames, interligadas nas condições correntes de execução, constituem um eléctrodo de aterramento de excelentes características eléctricas.

Existem inclusivamente normas que aprovam as armaduras de aço das fundações, juntamente com as restantes do edifício, como podendo até constituir, nas condições prescritas pela lei, o sistema de protecção contra descargas atmosféricas ( aterramento e gaiola de Faraday, quando a instalação é completada com um sistema captor ).

Em geral estes elementos não se devem integrar no sistema de protecção contra descargas atmosféricas a não ser que técnicos especializados devidamente credenciados possam avaliar, caso por caso, se essa instalação é segura no prédio em questão.

Ainda segundo alguns exemplos muito em voga hoje em dia divulgados pelos nossos colegas estrangeiros, no caso de fundações em alvenaria, o eléctrodo de aterramento pode ser constituído por uma fita de aço ou barra de aço de construção, imersa no betão das fundações, formando um anel em todo o perímetro da estrutura. A fita deve ter, no mínimo, 100 mm2 de seção e 3 mm de espessura e deve ser disposta na posição vertical. A barra deve ter o mínimo 95 mm2 de secção. A barra ou a fita deve ser envolvida por uma camada de cimento com espessura mínima de 5 cm.

De toda a forma, uma vez que teremos que ter em consideração que é preferível e desejável construir de raiz toda a protecção e terra funcional para a estação de radiocomunicações, para quem não habite num prédio pode utilizar os eléctrodos de aterramento convencionais, tendo sempre em consideração que o tipo e a profundidade de instalação dos eléctrodos para este efeito devem ser providenciados de forma a que as mudanças nas condições do solo ( por exemplo, secagem ) não aumentem a resistência do sistema acima do valor exigido. O projecto do aterramento deve também considerar o possível aumento da resistência dos eléctrodos devido à corrosão.

A eficiência de qualquer eléctrodo de aterramento depende das condições locais do solo; devem por isso serem sempre seleccionados de forma a serem adequados às condições do solo e ao valor da resistência exigida pelo tipo de instalação em causa.

Nunca devem ser usados como eléctrodos de aterramento canalizações metálicas de fornecimento de água. Para além de ser ilegal em todo lado, a utilização cada vez mais comum de canalizações em materiais não condutores, ( quanto mais não seja nas juntas ), isola-os electricamente em segmentos ineficazes para serem usados como instalação de terra.

São muitos os casos de acidentes mortais durante o banho quando a solução adoptada foi a de ligar o sistema de terra às canalizações de água. Igualmente perigosa pode ser a presença de electricidade na canalização de água quente… num esquentador a gás.

A ligação do sistema de terra aos componentes de cobre da canalização do gás, além de proibida é um autêntico suicídio colectivo… ou na melhor das hipóteses um atentado terrorista !

Na tabela 1 são sugeridas várias possibilidades de eléctrodos simples para as situações mais comuns. Contudo, devido às suas exigências particulares, o aterramento de uma estação de radiocomunicações deve obedecer a alguns cuidados especiais uma vez que temos que ter em consideração as propriedades da radiofrequência e a protecção contra descargas atmosféricas quando dela fazem partes antenas de grandes dimensões ou torres de suporte de antenas, pelo que todos os seus componentes devem ser um pouco sobredimensionados.

O condutor de protecção, ( com ou sem derivações ), liga, em regra geral os componentes do circuito de protecção directamente ao eléctrodo de terra.

Quando o condutor de estiver enterrado no solo, sua secção mínima deve estar de acordo com a tabela 2.

Com um condutor de aço, ( sobretudo se este exibir algum troço acessível fora de cimento ), a ligação à haste, barra ou condutor de cobre para utilização, deve ser feita por solda exotérmica ou por processo equivalente do ponto de vista eléctrico e da corrosão.

Em alternativa podem usar-se acessórios específicos de aperto mecânico para ligar o condutor de tomada de terra directamente. Qualquer condutor de aço que fique exposto no exterior do cimento deve ser adequadamente protegida contra todos os factores de corrosão.

Por outro lado, na execução de uma ligação de um condutor de aterramento a um eléctrodo de deve-se ter sempre o cuidado de garantir a continuidade eléctrica e a integridade do conjunto.

Em qualquer instalação deve ser previsto um terminal ou barra de aterramento principal ao qual podem ser ligados os seguintes condutores :

a) condutor de aterramento;

b) condutores de protecção principais;

c) condutores de equipotencialização principais;

d) condutor neutro, ( se necessário por falta de ligação conveniente própria );

e) barramento de equipotencialização funcional, ( sempre que necessário );

f) condutores de equipotencialização ligados a eléctrodos de aterramento de outros sistemas.

O terminal de aterramento principal realizará também a ligação de equipotencialização principal dentro de portas.

No caso dos condutores usados para efeitos de protecção há algumas normas a considerar. A secção não deve ser inferior ao valor determinado pela necessidade que a secção calculada seja compatível com as condições impostas pela impedância do percurso da corrente de falta.

Porém, em certos casos, quando o condutor de protecção tiver uma secção maior ou igual a 10 mm² em cobre ou a 16 mm² em alumínio, nas instalações fixas, as funções de condutor de protecção e de condutor neutro podem ser combinadas, desde que a parte da instalação em referência não seja protegida por um dispositivo a corrente diferencial-residual.

Se, a partir de um ponto qualquer da instalação, o neutro e o condutor de protecção forem separados, não é permitido voltar a ligá-los depois desse ponto. No ponto de separação, devem ser previstos terminais ou barras separadas para o condutor de protecção e o neutro.

Quando forem utilizados eléctrodos convencionais, deve ser previsto, em local acessível, um dispositivo para desligar o condutor de aterramento.

Tal dispositivo deve estar integrado no terminal ou barra de aterramento principal, de modo a permitir a medição da resistência do eléctrodo, sendo somente desmontável com o auxílio de ferramenta, ser mecanicamente resistente e garantir a continuidade eléctrica.

Para efeitos de protecção há que ter ainda alguns cuidados extra.

Podem ser usados como condutores de protecção :

a) canalizações de cabos multipolares;

b) condutores isolados, cabos unipolares ou condutores nus numa calha comum aos condutores vivos;

c) condutores isolados, cabos unipolares ou condutores nus independentes;

d) protecções metálicas ou blindagens de certos cabos;

e) eletrodutos metálicos e outros condutos metálicos;

f) certos elementos condutores estranhos à instalação.

As protecções metálicas ou blindagens de cabos, assim como outras canalizações metálicas, podem ser usados como condutores de protecção dos respectivos circuitos se sua continuidade eléctrica estiver assegurada, por construção ou por ligações adequadas, e de forma a estar protegida contra deteriorações mecânicas, químicas e electroquímicas e a sua condutividade ofereça condições para tal efeito. As canalizações metálicas de água e gás não devem ser nunca usadas como condutores de protecção devido ao perigo de explosão, de choques eléctricos em terceiros e até a questões relacionadas com o novos materiais empregues nas canalizações de água.

Quando forem utilizados dispositivos de protecção contra sobrecorrentes mas em simultâneo também contra contactos indirectos, o condutor de protecção deve estar na mesma linha eléctrica dos condutores vivos ou na sua proximidade imediata.

Quando for exigido um aterramento por razões combinadas de protecção e funcionalidade, as prescrições relativas às medidas de protecção devem prevalecer.

Quando os condutores de aterramento funcional, ou os condutores de protecção e aterramento funcional, forem percorridos por corrente contínua, devem ser tomadas precauções para impedir danos aos condutores e a partes metálicas próximas por efeitos de electrólise.

Tabela 1 – Possibilidades de eléctrodos de aterramento convencionais

Tipo de eléctrodo

Dimensões mínimas

Observações

Tubo de aço zincado

2,40 m de comprimento e diâmetro nominal de 25 mm

Enterramento totalmente vertical

Perfil de aço zincado

Cantoneira de (20mmx20mmx3mm) com 2,40 m de comprimento

Enterramento totalmente vertical

Haste de aço zincado

Diâmetro de 15 mm com 2,00 ou 2,40 m de comprimento

Enterramento totalmente vertical

Haste de aço revestida de cobre

Diâmetro de 15 mm com 2,00 ou 2,40 m de comprimento

Enterramento totalmente vertical

Haste de cobre

Diâmetro de 15 mm com 2,00 ou 2,40 m de comprimento

Enterramento totalmente vertical

Fita de cobre

25 mm² de seção, 2 mm de espessura e 10 m de comprimento

Profundidade mínima de 0,60 m. Largura na posição vertical

Fita de aço galvanizado

100 mm² de seção, 3 mm de espessura e 10 m de comprimento

Profundidade mínima de 0,60 m. Largura na posição vertical

Cabo de cobre

25 mm² de seção e 10 m de comprimento

Profundidade mínima de 0,60 m. Posição horizontal

Cabo de aço zincado

95 mm² de seção e 10 m de comprimento

Profundidade mínima de 0,60 m. Posição horizontal

Cabo de aço cobreado

50 mm² de seção e 10 m de comprimento

Profundidade mínima de 0,60 m. Posição horizontal

Tabela 2 - Seções mínimas convencionais de condutores de aterramento

Protegido contra corrosão

Cobre : 16 mm² ( qualquer tipo de solos )

Aço : 16 mm² ( qualquer tipo de solos )

Não protegido contra corrosão

Cobre : 16 mm² ( solos ácidos )

Cobre : 25 mm² ( solos alcalinos )

Aço : 50 mm² ( qualquer tipo de solos )

 

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