Na norma NBR5410 n˜ao existe uma exigˆencia expl´ıcita sobre o aterramento de ins- tala¸c˜oes c.c. de tens˜ao superior a 60 V, contudo no NEC se estabelece que sistemas de tens˜ao entre 60 V e 300 V devem ser aterrados. N˜ao existe, entretanto, defini¸c˜oes desti- nadas a sistemas de maior tens˜ao, sendo que nesta an´alise os requisitos para a classe de 60 V a 300 V ser˜ao assumidos. Como no Brasil, ainda segundo a NBR5410, a entrada da alimenta¸c˜ao de uma instala¸c˜ao residencial ou comercial ´e solidamente aterrada no seu ponto de conex˜ao com a rede da concession´aria de energia, os esquemas de aterramento a serem empregados depender˜ao da existˆencia, ou n˜ao, de isolamento el´etrico entre a rede c.c. e a rede c.a. da concession´aria. De acordo com os Procedimentos de Distribui¸c˜ao da ANEEL [56], n˜ao existe uma exigˆencia da utiliza¸c˜ao de um transformador isolador (T.I.) para classes de potˆencia inferiores a 100 kW, no entanto o estudo de sistemas isolados ´e interessante, uma vez que durante uma opera¸c˜ao ilhada, o ponto de conex˜ao comum ´e suspenso e a nanorrede se comporta como um sistema isolado da rede el´etrica. Desta forma, se analisar´a ambas formas de conex˜ao, isolada e n˜ao-isolada, entre a nanorrede e a rede c.a..
2.2.2.1 Sistemas c.c. isolados
A existˆencia do isolamento entre a rede c.a. e o barramento c.c. da nanorrede possibi- lita que todos os esquemas de aterramento anteriormente citados sejam empregados. No
caso do esquema IT, no entanto, o aterramento se dar´a por meio de uma impedˆancia de aterramento. A Figura 2.6 apresenta quatro esquemas de aterramento para o sistema c.c. unipolar isolado.
a) Aterramento TN. b) Aterramento TT.
c) Aterramento IT - 1 condutor. d) Aterramento IT - 2 condutores.
Figura 2.6: Esquemas de aterramento para um sistema c.c. com isolamento.
Ao se empregar um esquema s´olido de aterramento, TN ou TT, a ocorrˆencia de uma falta fase-terra poder´a provocar correntes de falta elevadas. Supondo, por exemplo, que o condutor negativo (VN) esteja aterrado, uma falta no condutor positivo funcionar´a como
um curto-circuito franco no barramento c.c., de modo que a corrente de falta depender´a exclusivamente da resistˆencia dos condutores. Contudo, a magnitude dessa corrente pode ser reduzida pelos conversores est´aticos, caso todos tenham a capacidade de limitar suas correntes de sa´ıda.
Em esquemas de aterramento por impedˆancia, IT, por outro lado, a corrente de falta ser´a muito inferior ao observado nos demais esquemas. A corrente de uma falta fase-terra pode ser controlada por meio da resistˆencia de aterramento, de modo que se pode ter uma situa¸c˜ao onde esta corrente n˜ao aciona nenhum dispositivo de prote¸c˜ao, mantendo a instala¸c˜ao em opera¸c˜ao. Considerando o esquema da Figura 2.6-c), por exemplo, uma falta fase-terra no condutor positivo ir´a produzir uma corrente de falta igual a
If alta,IIT =
VB
RE
, (2.1)
onde VB ´e a tens˜ao do barramento c.c. e RE ´e a resistˆencia de aterramento. Caso,
por outro lado, a falta ocorra do condutor negativo para o terra, n˜ao haver´a circula¸c˜ao de corrente. Contudo, o sistema, nesta situa¸c˜ao, passa a funcionar como se estivesse solidamente aterrado, de modo que se uma segunda falta ocorrer, do condutor positivo para terra, a corrente resultante ser´a muito elevada.
Em rela¸c˜ao ao circuito da Figura 2.6-d), uma falta fase-terra, seja esta no condutor negativo, ou no condutor positivo, ir´a produzir uma corrente de falta, como a equacio- nada em (2.1). Em caso de ocorrˆencia de uma segunda falta fase-terra, este esquema de aterramento tamb´em exibir´a correntes de falta elevadas. Isso indica que em sistemas de aterramento IT isolados, em geral, a limita¸c˜ao da corrente de falta apenas ´e efetiva em
caso de ocorrˆencia de uma ´unica falta fase-terra. O surgimento de uma segunda falta
provoca circula¸c˜ao de altas correntes, em semelhan¸ca aos sistemas de aterramento s´olido. Isto porque cada falta curto-circuita uma das resistˆencias de aterramento, inutilizando-a. Assim, conclui-se que, mesmo em esquemas IT, deve existir a presen¸ca de dispositivos de prote¸c˜ao contra sobrecorrentes e curto-circuito, para lidar com os efeitos de uma segunda falta fase-terra.
O esquema de aterramento tamb´em afeta as correntes de corpo produzidas por choques el´etricos. No caso de aterramento s´olido, o usu´ario que entrar em contato com o condutor n˜ao aterrado estar´a exposto a toda tens˜ao de barramento, de modo que a corrente de corpo apresentar´a a seguinte magnitude:
Icorpo,IT N =
VB
Rcorpo
, (2.2)
onde Icorpo,IT N ´e a corrente de corpo para um esquema de aterramento s´olido em sistema
isolado e Rcorpo ´e a resistˆencia equivalente do corpo humano. Considerando que a tens˜ao
de barramento ´e de 311 V, conforme apresentado no Apˆendice B, a resistˆencia de corpo para um caminho entre a m˜ao esquerda e um p´e equivale a 1.120 Ω, o que produziria
uma corrente de corpo de at´e 278 mA. Segundo a Figura 2.1, esta corrente de corpo se encontra no limite entre a regi˜ao III e IV, de forma que o indiv´ıduo se encontraria em risco de experimentar paradas respirat´orias e dores intensas. Al´em disso, uma pequena varia¸c˜ao na impedˆancia de corpo do indiv´ıduo pode fazer com que ele seja exposto a uma situa¸c˜ao de prov´avel fibrila¸c˜ao ventricular. Com isso, o sistema demanda a aplica¸c˜ao de dispositivos de prote¸c˜ao contra correntes diferenciais-residuais com curtos tempos de acionamento [32].
O aterramento por meio de resistˆencias permite reduzir a corrente de corpo a n´ıveis n˜ao perigosos. Considerando o sistema da Figura 2.6-c), a intera¸c˜ao com o p´olo n˜ao aterrado aplicar´a sobre o usu´ario toda a tens˜ao do barramento c.c., por´em, como a resistˆencia de aterramento se encontra no caminho da corrente, a corrente de corpo ser´a dada por:
Icorpo,IIT 1 =
VB
Rcorpo+ RE
(2.3) No caso do aterramento IT de ambos os condutores, Figura 2.6-d), define-se um divisor de tens˜ao, sendo que o ponto m´edio do barramento c.c. ´e conectado ao referencial de terra. Desta forma, a tens˜ao de toque, em ambos os condutores, ser´a a metade da tens˜ao do barramento c.c.. No entanto, na ocorrˆencia de contato de uma pessoa com um dos p´olos do barramento, a resistˆencia de corpo desta pessoa se associar´a paralelamente a uma das resistˆencias de aterramento, com isso, a tens˜ao de toque percebida pela pessoa ser´a definida como:
Vtoque,IIT 2= VB·
Rcorpo//RE
Rcorpo//RE + RE
(2.4) Assim, a corrente de corpo a ser conduzida pelo corpo do indiv´ıduo ser´a definida como:
Icorpo,IIT 2 =
VB
Rcorpo//RE + RE
(2.5) Assumindo que a resistˆencia de corpo possuir´a um valor muito inferior `a resistˆencia de aterramento, pode-se simplificar a express˜ao (2.5), igualando-a `a equa¸c˜ao (2.3). Assu- mindo, como parˆametro de dimensionamento das resistˆencias de aterramento, se manter
a corrente de corpo dentro da regi˜ao II, onde n˜ao se exp˜oe o indiv´ıduo a efeitos fisiol´ogicos
perigosos, RE deve ser escolhida de forma a se ter uma corrente de corpo inferior a 30
mA. Assim, para VB = 311 V, Rcorpo ≈ 1.120 Ω , por meio de (2.3), tˆem-se que RE ≈ 10
kΩ.
2.2.2.2 Sistemas c.c. n˜ao-isolados
Em sistemas n˜ao-isolados, existe uma rela¸c˜ao entre o barramento c.c. e a rede el´etrica c.a., a qual depender´a da estrutura do conversor de interface empregado na conex˜ao dos dois sistemas de distribui¸c˜ao. Na maioria dos casos, surgir´a no sistema um caminho de modo comum interligando o lado c.c. e o lado c.a. da instala¸c˜ao [57, 58, 59]. Este caminho de modo comum impede o emprego de esquemas de aterramento s´olido (TN e TT), uma vez que estes provocariam a circula¸c˜ao de grandes correntes de modo comum na instala- ¸c˜ao. Portanto, o aterramento por resistˆencias (IT) seria mais adequado para atender as exigˆencias do NEC. A Figura 2.7 apresenta os esquemas de aterramento poss´ıveis para sistemas sem isolamento.
a) Aterramento IT - 1 condutor. b) Aterramento IT - 2 condutores.
Figura 2.7: Esquemas de aterramento para um sistema c.c. n˜ao-isolado.
O circuito equivalente do barramento c.c. n˜ao-isolado, com aterramento IT, pode ser
visualizado na Figura 2.8, sendo VCM a tens˜ao de modo comum do sistema. Nota-se que,
em caso de faltas para terra, independentemente do esquema de aterramento, existir´a sempre um caminho para circula¸c˜ao de correntes de falta que enla¸ca a fonte de tens˜ao de modo comum, de forma que a corrente de falta poder´a apresentar grande amplitude, demandando o uso de dispositivos de prote¸c˜ao.
Figura 2.8: Circuito equivalente do sistema c.c. n˜ao-isolado.
Um problema semelhante ocorre em rela¸c˜ao `as correntes de corpo. Devido `a existˆencia do caminho de modo comum, existir´a, independentemente do esquema de aterramento, uma parcela de corrente de corpo circulando pelo indiv´ıduo definida como:
Icorpo,N IT =
VCM ± VB/2
Rcorpo
(2.6) Para minimizar os efeitos da corrente de corpo, o conversor de interface dever´a prover meios de compensar ou mitigar a tens˜ao de modo comum. Por´em, mesmo que se consiga
reduzir VCM a um valor nulo, como mostra (2.6) a corrente de corpo ainda ter´a uma
parcela dependente da tens˜ao de barramento. Contudo, observa-se que a tens˜ao de toque neste caso ser´a ± 155 V, o que eleva a resistˆencia de corpo equivalente a 1.695 Ω, Figura B.2, produzindo correntes de corpo de aproximadamente 91 mA. Esta corrente, contudo n˜ao exp˜oe o indiv´ıduo `a regi˜ao de fibrila¸c˜ao ventricular, mas pode provocar dores e outros danos ao indiv´ıduo `a medida que o tempo de exposi¸c˜ao se eleva. Constata-se que, devido `a existˆencia do caminho de modo comum, sistemas n˜ao-isolados n˜ao permitem o controle da magnitude das correntes de falta ou de corpo, de modo que o uso de dispositivos de prote¸c˜ao se torna mandat´orio.