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

Artigos de natureza técnica e funcional

Aterramentos funcionais e de protecção (2)

[ Miguel Andrade - Setembro 2001 ]

No seguimento do assunto desenvolvido no primeiro artigo desta série, será conveniente abordar também de uma forma muito sumária e a título informativo uma aplicação na prática ao caso particular de uma instalação radioeléctrica das muitas regras gerais inumeradas anteriormente, isto é, explicar como o que é que se pode fazer para incorporar na prática alguns dos conceitos teóricos gerais aí apresentados.

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Desde a medição da resistência eléctrica de uma eléctrodo de terra e do terreno circundante até aos exemplos práticos na ligação à terra para uma estação de radiocomunicações de acordo com as suas exigências específicas serão aqui abordados em separado para que a primeira matéria não se tornasse ainda mais pesada ( sobretudo para quem tem poucos conhecimentos sobre electricidade ).

Alguns dos conceitos que se seguem podem parecer demasiado exigentes e técnicamente muito despropositados em função da natureza informal e leve que está na origem destes artigos, contudo eles constituem um investimento importante na segurança e um complemento à aplicação da teoria desenvolvida no primeiro artigo.

Não devem por isso sentir-se desmoralizados ou desinteressados os responsáveis por uma estação de radiocomunicações que sentirem uma certa incapacidade para absorverem alguns destes concelhos ou descobrirem que lhes é impossível porem em prática outros.

Estas sugestões não devem ser entendidas como as únicas viáveis, nem tão pouco devem ser vistas como procedimentos incontornáveis para serem alcançados os objectivos de segurança e eficiência de uma instalação radioeléctrica.

Na parte final deste artigo procurou-se filtrar um pouco algum carácter mais denso dos concelhos técnicos que se seguem, para se terminar esta matéria aflorando-se concelhos com explicações muito mais fáceis, ao alcance da maioria das pessoas que querem ter as suas instalações do serviço fixo de acordo com a lei mas acima de tudo dentro das normas de segurança.

Aterramento com utilização das fundações e estruturas dos edifícios

( Atenção : os conceitos que a seguir se divulgam a título informativo devem merecer todo o cuidado antes de serem alguma vez postos em prática no nosso país. Esta solução nunca deve ser tentada sem a supervisão das autoridades e de técnicos credenciados que tenham condições para avaliarem se o edifício em causa oferece condições para ser tentada esta solução e se possam responsabilizar legalmente pelos resultados dessa peritagem ).

A ligação à terra do prédio é uma boa solução para quem vive num apartamento, sobretudo se se encontra num dos últimos andares e a distância ao solo é tal que faz reduzir bastante a eficácia dos condutores de protecção.

Como inconveniente principal está o facto de que na esmagadora maioria dos casos não devem ser utilizados os terminais de terra da instalação eléctrica na tomada da parede ( quando existem ) para os efeitos que se esperam conseguir em virtude das particularidades da estação de radiocomunicações. Geralmente as ligações de terra da instalação doméstica estão feitas através de cabos delgados e extremamente longos para a eficácia pretendida, pelo que mais facilmente se vêm a revelar como reais fontes de ruído e interferência do que como verdadeiros sistemas de protecção eficazes em relação à questão da radiofrequência.

Quando há condições para tal, a melhor solução é mesmo conseguirem-se as devidas autorizações para se passar um cabo de grande secção pela parede exterior do edifício ou mesmo pela caixa do elevador até ao solo onde se fará uma comprovada boa ligação através de um eléctrodo eficaz.

Outra possível solução para quem se encontra na contingência de habitar num edifício de apartamentos é procurar encontrar um ponto de ligação à estrutura de ferro do betão armado.

Desde 1965 ( ou seja, há mais de 30 anos ) que a União Alemã das Centrais Eléctricas tem instruções para a utilização das fundações de certos edifícios como sistema de aterramento.

Essas instruções tornaram-se-iam normativas em 1975. Em 1979 foi mesmo emitida uma norma Alemã sobre a inclusão do sistema de aterramento nas fundações dos edifícios de habitação. Essa norma está contida no caderno 35 da VDE, datado desse ano, com instruções concretas para a sua instalação.

Por outro lado, as normas dos Estados Unidos da América passaram a incluir sistema de aterramento com condutores embutidos em cimento armado no final da década de 70. O NEC ( National Electrical Code ) de 1978 incluiu pela primeira vez as especificações a que devem obedecer os eléctrodos de aterramento embutidos nas fundações e o NESC ( National Safety Code ( ANSI- C2 ) de 1984 considera que as ligações com arames torcidos, usados na fixação das armaduras do cimento armado, são suficientes para assegurarem a continuidade eléctrica das armaduras.

Também o Green Book ( ANSI/IEEE Standard 142 - 1982 ), que trata especificamente da questão do aterramento, sublinha em diversas partes as vantagens de se utilizarem as armaduras do cimento armado nas fundações como eléctrodo de aterramento.

Concretamente, no período entre os últimos 10 a 20 anos a esta parte, a interligação dos diferente sistemas de aterramento ( isto é dos aterramentos para diferentes finalidades ) tornou-se uma prática cada vez mais comum e reconhecida, como se pode verificar no ANSI/NFPA ( Lightning Protection Code de 1983 ) e no NEC ( NFPA - 70 ) DE 1984.

Desta forma, nas últimas duas décadas operou-se uma evolução nos conceitos e na prática do aterramento, resultando numa integração dos sistemas de aterramento - o da protecção contra acidentes pessoais e o da protecção contra descargas atmosféricas entre si e na a própria estrutura dos edifícios, tornando dessa forma o eléctrodo de aterramento parte integrante das próprias fundações do edifício logo na construção do mesmo.

Principais características da utilização das fundações dos edifícios como sistema de Aterramento

O eléctrodo de aterramento assim construído envolve toda a superfície do edifício enquanto que os eléctrodos tradicionais se limitam a algumas hastes localizadas. Fazendo parte do próprio edifício, o sistema de aterramento não está sujeito a ser interrompido ou seccionado; portanto, não há risco dele perder sua eficiência.

Por outro lado, sendo constituído usualmente por ferro embutido em cimento ou betão, o sistema está praticamente protegido contra os efeitos da corrosão, pelo que se pode considerá-lo utilizável sem reservas ao longo de toda a vida do edifício. Como o material utilizado é o ferro, a solução resulta mais económica.

Uma vez que as fundações constituem o eléctrodo de aterramento, poder-se-ia dotar os pilares do edifício de elementos condutores destinados a transferir para a cobertura o potencial da terra.

Nalguns casos defende-se mesmo que este sistema pode mesmo vir a constituir até uma protecção eficaz contra as descargas atmosféricas desde que se tomem as devidas medidas na sua implementação.

Constituir-se-ia, assim uma Gaiola de Faraday desde que a cobertura assegurasse a interligação eléctrica dos diversos pilares. Naturalmente, a cobertura ou inclui uma laje de cimento armado ou, por vezes, em edifícios industriais, uma estrutura metálica com terças metálicas que formam uma malha bastante fechada. A gaiola de Faraday assim constituída asseguraria uma total protecção até contra descargas atmosféricas, praticamente sem outras preocupações.

A protecção contra as descargas atmosféricas segundo este procedimento é especialmente eficiente e segura segundo os seus defensores porque a multiplicidade de caminhos alternativos para o escoamento da corrente de descarga diminuiu drasticamente os gradientes de tensão; uma vez que essa mesma multiplicidade de correntes em paralelo uniformiza, ao longo do edifício, as flutuações de tensão devidas à descarga atmosférica, eliminando a possibilidade de descargas laterais ( devido ao facto de algumas parcelas do edifício permanecerem ao nível do potencial do solo quando ocorre uma descarga concentrada através de um ou mais condutores de descidas ).

Condutores da ligação equipotencial principal e suplementares

Os condutores de equipotencialidade da ligação principal devem possuir secções que não sejam inferiores à metade da secção do condutor de protecção de maior secção da instalação, ( no mínimo de 6 mm² ).

Um condutor de equipotencialidade de uma ligação suplementar a ligar duas massas deve possuir uma secção equivalente igual ou superior à do condutor de protecção de menor secção ligado a essas massa.

Um condutor de equipotencialidade de uma ligação suplementar a ligar uma massa a um elemento condutor estranho à instalação deve possuir uma secção equivalente igual ou superior à metade da secção do condutor de protecção ligado a essa massa.

Uma ligação equipotencial suplementar pode ser assegurada por elementos condutores estranhos à instalação não desmontáveis, tais como estruturas metálicas, ou por condutores suplementares ou por uma combinação dos dois tipos.

Barramento de equipotencialidade funcional

O terminal de aterramento principal de uma edificação pode, quando necessário, ser prolongado acrescentando-se-lhe um barramento de equipotencialidade funcional, de forma que os equipamentos de radiocomunicações possam ser ligados e/ou aterrados pelo caminho mais curto possível, de qualquer ponto do edifício desde que hajam comprovadas condições de bom funcionamento do sistema.

Ao barramento de equipotencialidade funcional podem ser ligados :

  • quaisquer dos elementos normalmente ligados ao terminal de aterramento principal da edificação;

  • blindagens e protecções metálicas dos cabos;

  • condutores de aterramento dos dispositivos de protecção contra sobretensões;

  • condutores de aterramento de antenas de radiocomunicação;

  • condutor de aterramento do polo de " terra " de alimentações em corrente contínua para os equipamentos;

  • condutores de aterramento funcional;

  • condutores de sistemas de protecção contra descargas atmosféricas;

  • condutores de ligações equipotenciais suplementares.

O barramento de equipotencialidade funcional, de preferência em cobre, pode ser nu ou isolado e deve ser acessível em toda sua extensão, por exemplo, sobre a superfície das paredes ou em calha técnica. Os condutores nus devem ser isolados nos suportes e na travessia de paredes, para evitar corrosão.

Quando for necessário instalar um barramento de equipotencialidade funcional numa estação com presença extensiva de equipamentos de radiocomunicações, este deve constituir um anel fechado.

O barramento de equipotencialidade funcional deve ser dimensionado como um condutor de equipotencialidade principal.

A confiabilidade da ligação equipotencial entre dois pontos do barramento de equipotencialidade funcional depende da impedância do condutor utilizado, determinada pela secção e pelo percurso. Para os casos mais comuns, um condutor de cobre de 50 mm2 de secção nominal constitui um bom compromisso entre custo e impedância.

Medição da resistência eléctrica de um eléctrodo de terra e do terreno circundante

Pelo desenvolvimento nos conteúdos anteriores, a necessidade de adequar os níveis de protecção de um aterramento podem, em caso de dúvida, exigir que se realize uma medição da resistência eléctrica da terra, embora esta operação não seja necessáriamente obrigatória ou imposta por lei.

Em princípio este modelo só pode ser posto em prática a nível particular pelo amador quando este tem a sorte de habitar numa propriedade com terreno suficiente para ter o espaço necessário para a realização de tal operação e sobretudo quando tem os conhecimentos técnicos e o equipamento necessários.

Na via pública são quase sempre imprescindíveis as autorizações especiais dos serviços da administração local e geralmente este tipo de tarefa é apenas autorizado a profissionais credenciados que disponham do equipamento necessário. De qualquer forma aqui ficam alguns concelhos úteis para quem se vir obrigado a confirmar os parâmetros em causa :

A resistência de terra é constituída, praticamente, pela resistência geral de contacto e pelas camadas de terreno que ficam na proximidade do eléctrodo de terra devido à existência de uma densidade elevada de corrente que provoca quedas de tensão sensíveis as quais podem ser medidas.

Para se realizar esta medição, faz-se circular uma corrente de determinada intensidade entre o eléctrodo de terra e um eléctrodo auxiliar de corrente colocado propositadamente no terreno a uma distância mínima de acordo com os cálculos dos valores correctos que mais adiante se descrevem.

Em termos práticos podemos considerar uma distância de 40 metros entre o eléctrodo de terra e um eléctrodo auxiliar de corrente, fazendo-se a medida dos valores da corrente entre eles.

A tensão do gerador responsável por esta operação deve ser alternada, podendo contudo não ser sinusoidal.

Coloca-se em seguida um outro eléctrodo auxiliar de tensão no mínimo a 20 metros do eléctrodo de terra e fazendo-se a medida dos valores de tensão entre eles. A resistência interna do voltímetro deve ser superior a 10 kW , convindo, de preferência, utilizar-se um voltímetro electroestático.

Em resultado deste procedimento, o quociente da tensão entre o eléctrodo de terra e o eléctrodo auxiliar de tensão e o quociente da corrente entre o eléctrodo de terra e o eléctrodo auxiliar de corrente, ( quando estes estejam suficientemente afastados uns dos outros ), toma um valor limite que é o resultado da resistência de terra do eléctrodo de terrado circuito de protecção analisado.

Para que esta medição possa vir a traduzir os valores mais correctos, a distância entre os eléctrodos auxiliares e o eléctrodo de terra deverá ser de 10 a a 30 a , sendo o valor a igual ao raio de uma esfera com centro à superfície do terreno e que envolva completamente o eléctrodo de terra. No caso de instalações servidas por um eléctrodo de terra constituído por mais do que um elemento, há que aumentar convenientemente aquela distância.

Num solo homogénio pode dizer-se que o potencial varia sensivelmente na razão inversa da distância ao eléctrodo de terra e na razão directa das dimensões deste.

Preservação da continuidade eléctrica dos condutores de protecção

Como se pode constatar nos conceitos gerias do artigo anterior, a continuidade eléctrica dos componentes de uma sistema de terra podem vir a ser afectados ao ,longo do tempo, fazendo com que se perca lentamente a eficácia do sistema.

A escolha dos materiais e a forma de ligação ou o isolamento dos componentes deve ser rigorosamente controlada para que a curto prazo não aconteçam dissabores por negligência.

Por essa razão, tal como os eléctrodos de terra e outros componentes da instalação, os condutores de protecção devem estar convenientemente protegidos contra as deteriorações mecânicas, químicas e electroquímicas e forças electrodinâmicas.

As ligações devem estar acessíveis para verificações e ensaios, com excepção das executados dentro de caixas moldadas ou juntas encapsuladas.

Nenhum dispositivo de comando ou protecção deve ser inserido no condutor de protecção, porém podem ser utilizadas ligações desmontáveis por meio de ferramentas, para fins de ensaio.

Quando for utilizado um dispositivo de monitorização de continuidade de aterramento, as bobinas de operação não devem ser inseridas no condutor de protecção.

As partes condutoras expostas de equipamentos não devem ser utilizadas como partes de condutores de protecção de outros equipamentos.

Ligação à terra numa estação do serviço fixo

Sobretudo para quem vive numa casa com terreno, a questão da segurança eléctrica torna-se mais fácil mas ao mesmo tempo são maiores as probabilidades de recaírem sobre o seu proprietário as responsabilidades da sua implementação logo de raiz e serem por isso assumidas todas as suas consequências perante as autoridades fiscalizadoras.

Normalmente numa estação de radicomunicações de base é aconselhável constituir uma instalação de terra própria criada de propósito para esse efeito quando haja condições para o fazer. Neste caso, é suficiente um aterramento composto por uma ou mais varetas de aço coberto de cobre, ( o melhor será utilizar mesmo só o cobre ), enterradas no solo e ligado através de condutores e aparelhos do sistema que esteja de acordo com as normas e técnicas atrás descritas.

É necessário ter-se em atenção que abundam no mercado uns eléctrodos de terra baratos de ferro com um fino revestimento de cobre que à primeira vista cumprem satisfatóriamente a sua função. Esta solução deve contudo ser posta de parte, pois na generalidade dos casos ao fim de pouco tempo estes eléctrodos são completamente desfeitos pelos elementos naturais perdendo toda a sua eficácia.

Há quem faça uso de uma chapa de cobre com as medidas estipuladas na tabela 1 do primeiro artigo para este efeito. Alguns radioamadores têm ainda cuidados especiais como o uso de carvão activado e sal para envolverem o eléctrodo de terra na construção dos seus sistemas de aterramento.

Um sistema muito comum e perfeitamente aceitável independentemente das características do solo em que vai ser implantado é composto por 3 varetas de 15 mm de diâmetro com 2 metros ou mais de comprimento ligadas em triângulo ou numa configuração em V através dos preceitos e dos cabos enunciados no primeiro artigo desta série.

Outra variante com muito boas propriedades para este efeito em quase todos os tipos de instalação pode ser concebida facilmente ligando quatro eléctrodos com as mesmas características dos anteriores. Estas hastes devem ser separadas cerca 2 metros entre si formando um quadrado através da ligação com um cabo de secção adequada para o efeito entre todas elas. Numa das hastes liga-se então o condutor de aterramento. Em qualquer dos casos, para estes condutores devem-se atender as prescrições gerais do artigo anterior.

Devem ainda ser tomados todos os cuidados nas ligações e nos restantes componentes do sistema em geral, sobretudo contra a corrosão.

Dentro da estação, uma boa barra de terra comum consiste num tubo de cobre de 25 mm de diâmetro que liga a terra ao móvel onde estão instalados os aparelhos. A ligação entre o eléctrodo de terra e esta espécie de barramento comum deve ser tão curto quanto possível e com o menor número de curvas ou " cotovelos " apertados.

Como alternativa pode ser usada uma placa de cobre com a maior área possível presa por exemplo no fundo da bancada de trabalho ou da mesa.

Todas ligações dos equipamentos da estação devem ser feitas com uma malha grossa. Como alternativa pode-se recorrer à malha de um cabo coaxial de maior secção ( tipo RG213 ou mais grosso ), depois de devidamente descarnado e de lhe terem sido retirados do seu interior o condutor central e os materiais isolantes intermédios entre o « vivo » e a malha.

Uma regra fundamental é respeitar-se escrupulosamente a regra de uma ligação independente e individual para cada aparelho.

Se se fizer uma cadeia em série entre os componentes da estação na ligação à terra e não se respeitar esta regra, a eficácia vai ficar comprometida, assim como a eficiente actuação do sistema ao nível da radiofrequência. Como resultado podem ocorrer anomalias de funcionamento nos equipamentos como a distorção do sinal transmitido, alterações inesperadas de frequência, piscar ou mesmo desaparecimentos total das indicações nos ecrãs, a perda de informação gravada nas memórias e ruído na recepção dos sinais.

Por outro lado, sobretudo pelos riscos para a saúde do operador, nas estações em que forem usados amplificadores de potência de emissão, nunca devem ser esquecidas todas as medidas exequíveis para a protecção contra fugas especialmente nas faixas de frequência mais elevadas.

Finalmente, caso não seja possível implementar convenientemente nenhuma das soluções anteriores propostas, é sempre possível pelo menos sintonizar uma terra eficaz em termos de radiofrequência às faixas de frequências que serão usadas em emissão.

Esta terra será composta por um segmento de condutor eléctrico cortado a 1/4 de onda para a frequência em causa, utilizando-se um cabo com a mesma secção que se utilizaria para fazer parte dos elementos de uma antena com capacidade para as potências máximas que os emissores da estação permitirem na banda em causa.

Este condutor deve ser acondicionado e isolado de forma a evitar-se qualquer possibilidade de contacto com as pessoas ou a proximidade com materiais inflamáveis uma vez que o mesmo aquece e desenvolve em certas secções tensões de milhares de Volts ( dependendo da potência de emissão ).

Como terra de compromisso este sistema não é uma verdadeira massa nem pode ser visto como uma protecção individual, contudo é uma solução eficaz em emissão para ajudar a contornar os problemas relacionados com fugas de radiofrequência e com as consequências daí resultantes como as interferências, aumentando-se assim consideravelmente eficiência da estação e a protecção aos equipamentos.

 

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