A NBR-5410 é a norma brasileira para instalações elétricas em baixa tensão e prescreve as regras para o projeto, execução e verificação das instalações. Tais regras são destinadas a garantir a segurança das pessoas, dos animais e dos bens contra os perigos e os danos suscetíveis de ocorrer quando as instalações elétricas são usadas de forma adequada e garantir o funcionamento correto de tais instalações. Ela orienta como configurar e calcular os sistemas de aterramentos, assim como os pontos equipotenciais para conexão dos sistemas de proteção elétrica, eletrônicos e sistemas de para-raios.
Normas complementares:
Um dicionário não-técnico define o termo “terra” como um ponto em contato com a terra, um retorno comum em um circuito elétrico e um ponto arbitrário de potencial zero de tensão.
Aterrar ou ligar alguma parte de um sistema elétrico ou circuito para a terra garante segurança pessoal e, geralmente, melhora o funcionamento do circuito.
Infelizmente um ambiente seguro e robusto, em termos de aterramento, muitas vezes não acontece simultaneamente.
Todo circuito deve dispor de condutor de proteção em toda a sua extensão.
ATERRAMENTOS DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS SENSÍVEIS
Os sistemas de aterramento devem executar várias funções simultâneas, como proporcionar segurança pessoal e para o equipamento. Resumidamente, segue uma lista de funções básicas dos sistemas de aterramento:
a)Proporcionar segurança pessoal aos usuários;
b)Fornecer um caminho de baixa impedância (baixa indutância) de retorno para a terra, proporcionando o desligamento automático pelos dispositivos de proteção de maneira rápida e segura, quando devidamente projetado;
c)Fornecer controle das tensões desenvolvidas no solo quando o curto fase-terra retorna pelo terra para uma fonte próxima ou mesmo distante;
d)Estabilizar a tensão durante transitórios no sistema elétrico provocados por faltas para a terra;
e)Escoar cargas estáticas acumuladas em estruturas, suportes e carcaças dos equipamentos em geral;
f)Fornecer um sistema para que os equipamentos eletrônicos possam operar satisfatoriamente tanto em alta como em baixas frequências;
g)Fornecer uma referência estável de tensão aos sinais e circuitos;
h)Minimizar os efeitos de EMI (Emissão Eletromagnética).
Para atender as funções anteriores, destacam-se três características fundamentais ao aterramento:
Independente da finalidade, proteção ou funcional, o aterramento deve ser único em cada local da instalação. Existem situações onde os terras podem ser separados, porém precauções devem ser tomadas.
Em relação à instalação dos componentes do sistema de aterramento, alguns critérios devem ser seguidos:
EQUIPOTENCIALIZAR
Definição: Equipotencializar significa deixar tudo no mesmo potencial.
Na prática: Equipotencializar significa minimizar a diferença de potencial para reduzir acidentes.
Em cada edificação deve ser realizada uma equipotencialização principal. Além disso, as massas das instalações situadas em uma mesma edificação devem estar conectadas à equipotencialização principal e, desta forma, a um único eletrodo de aterramento. Veja figuras 2 e 3.
A equipotencialização funcional tem a função de equalizar o aterramento e garantir o bom funcionamento dos circuitos de sinal e a compatibilidade eletromagnética.
Principal – deve possuir como comprimento mínimo a metade da seção do condutor de proteção de maior seção e, de acordo com o material, no mínimo:
Em sistemas distribuídos, como o controle de processos industriais, onde se tem áreas fisicamente distantes e com alimentação de diferentes fontes, a orientação é que se tenha o sistema de aterramento em cada local e que sejam aplicadas as técnicas de controle de EMI em cada percurso do encaminhamento de sinal, conforme representado na figura 2.
IMPLICAÇÕES DE UM MAU ATERRAMENTO
As implicações causadas por um mau (ou mesmo inadequado) aterramento não se limitam apenas aos aspectos de segurança. Os principais efeitos de um aterramento inadequado são choques elétricos aos usuários por contato e resposta lenta (ou intermitente) dos sistemas de proteção (fusíveis, disjuntores, etc).
Outros problemas operacionais podem ter origem no aterramento deficiente:
O sistema de aterramento deve ser único e atender a diferentes finalidades:
A consequência é que equipamentos com carcaças metálicas ficam expostos a ruído nos circuitos de aterramento (energia e raios).
Para atender aos requisitos de segurança, proteção contra raios e EMI, o sistema de aterramento deveria ser um plano com impedância zero, onde teríamos a mistura de diferentes níveis de corrente destes sistemas sem interferência. Esta seria a condição ideal, porém, na prática, não é bem o que ocorre.
Em termos da indústria de processos, podemos identificar alguns tipos de terras:
Obs: terra de “chassi” ou "carcaça" é usado como uma proteção contra choques elétricos. Este tipo de terra não é um terra de "resistência zero" e seu potencial de terra pode variar. No entanto, os circuitos são quase sempre ligados à terra para a prevenção de riscos de choque.
ATERRAMENTO EM UM ÚNICO PONTO OU EM VÁRIOS?
Um aterramento inadequado pode prejudicar o desempenho de um sistema e, consequentemente, o desempenho do processo, além de representar uma fonte de perigo e acidentes.
O sistema de aterramento único possui apenas um ponto de terra, do qual se tem a distribuição para toda a instalação. Esta configuração é mais apropriada para o espectro de frequências baixas, mas atende perfeitamente a sistemas eletrônicos de alta frequência instalados em áreas reduzidas. Este sistema deve ser isolado e não deve servir de caminho de retorno para as correntes de sinais, que devem circular por condutores de sinais, por exemplo, com pares balanceados.
Este tipo de aterramento paralelo elimina o problema de impedância comum, mas o faz em detrimento da utilização de muito cabeamento. Além disso, a impedância de cada fio pode ser muito elevada e as linhas de terra podem se tornar fontes de ruído do sistema. Esta situação pode ser minimizada escolhendo o tipo correto de condutor (tipo AWG 14). Cabos de bitola maiores ajudam na redução da resistência de terra, enquanto o uso de fio flexível reduz a impedância de terra.
Para frequências altas, o sistema multiponto é o mais adequado, inclusive simplificando a instalação. Muitas conexões de baixa impedância, em combinação com múltiplos caminhos de alta impedância entre os eletrodos e as impedâncias dos condutores, criam um sistema de aterramento complexo com uma rede de impedância e as correntes que fluem através dele provocam diferentes potenciais de terra nas interligações em vários pontos desta rede.
Os sistemas com aterramentos multipontos que empregam circuitos balanceados geralmente não apresentam problemas de ruídos. Neste caso, ocorre filtragem do ruído, com seu campo ficando contido entre o cabo e o plano de terra.
A ligação à terra em série é muito comum por ser simples e econômica. No entanto, este é o aterramento que proporciona o terra sujo, devido à impedância comum entre os circuitos.
Quando vários circuitos compartilham um mesmo fio terra, as correntes de um circuito (que fluem através da impedância finita da linha de base comum) podem provocar variações no potencial de terra dos demais circuitos. Se as correntes são grandes o suficiente, as variações do potencial de terra podem causar sérias perturbações nas operações de todos os circuitos ligados ao terra comum de sinal.
Por outro lado, um loop de terra ocorre quando existe mais de um caminho de aterramento, gerando correntes indesejáveis entre estes pontos. Estes caminhos formam o equivalente ao loop de uma antena que capta as correntes de interferência com alta eficiência. Com isto, a referência de tensão fica instável e o ruído aparece nos sinais.
Na prática, o que se faz é um “sistema misto”, separando circuitos semelhantes e segregando-os quanto ao nível de ruído:
Estes três circuitos são conectados ao condutor de proteção.
A grande maioria dos fabricantes de equipamentos de campo, como transmissores de pressão, temperatura, posicionadores e conversores recomenda o aterramento local de seus produtos. É comum que em suas carcaças exista um (ou mais) terminal de aterramento.
Ao se instalar os equipamentos, normalmente, suas carcaças estão em contato com a parte estrutural ou tubulações e, consequentemente, aterradas. Nos casos em que a carcaça é isolada de qualquer ponto da estrutura, os fabricantes recomendam o aterramento local, onde coma menor conexão com fio AWG 12. Neste caso, deve-se ter cuidado em relação à diferença de potencial entre o ponto aterrado e o painel onde se encontra o controlador (PLC).
Alguns fabricantes recomendam ainda que o equipamento fique flutuando, isto é, isolado da estrutura e que não seja aterrado, evitando os loops de corrente.
Em relação às áreas classificadas, recomenda-se consultar as regulamentações locais.
Em equipamentos microprocessados e com comunicação digital, alguns fabricantes incorporam ou tornam disponível os protetores de surtos ou transientes. Estes proporcionam a proteção a correntes de picos, fornecendo um caminho de desvio de baixa impedância para o ponto de terra.
Aterramento e blindagem são requisitos mandatórios para garantir a integridade dos dados de uma planta. É muito comum na prática encontrarmos funcionamento intermitente e erros grosseiros em medições devido às más instalações.
Os efeitos de ruídos podem ser minimizados com técnicas adequadas de projetos, instalação, distribuição de cabos, aterramento e blindagens. Aterramentos inadequados podem ser fontes de potenciais indesejados e perigosos, podendo comprometer a operação efetiva de um equipamento ou o próprio funcionamento de um sistema. Veja no site da Vivace Process Instruments o artigo sobre EMI – Emissão Eletromagnética, onde se tem vários detalhes de como minimizar ruídos e interferências.
A blindagem (shield) deve ser conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo, como mostrado na figura 9.
Quando se tem múltiplos segmentos deve-se mantê-los conectados, garantindo o mesmo potencial de referência, conforme a figura 10.
Vale citar neste caso:
Além disso, é importante citar:
Recomenda-se verificar a NBR 5418 para aterramento e ligação com sistema equipotencial de sistemas intrinsecamente seguros.
Um circuito intrinsecamente seguro deve estar flutuando ou estar ligado ao sistema equipotencial associado com a área classificada em somente um ponto.
O nível de isolação requerido (exceto em um ponto) deve ser projetado para suportar 500 V no ensaio de isolação de acordo com 6.4.12 da IEC 60079-11.
Quando este requisito não for atendido, o circuito deve ser considerado aterrado naquele ponto. Mais de uma conexão ao terra é permitida no circuito, desde que o circuito seja dividido em sub-circuitos galvanicamente isolados, cada qual aterrado somente em um ponto.
Blindagens devem ser conectadas à terra ou à estrutura de acordo com a ABNT NBR IEC 60079-14.
Sempre que possível, conecte as bandejas de cabos ao sistema de linha equipotencial.
As malhas (shield) devem ser aterradas em um único ponto no condutor de equalização de potencial. Se houver necessidade, por razões funcionais, de outros pontos de aterramento, é permitido que sejam feitos por meio de pequenos capacitores, tipo cerâmico, inferiores a 1 nF e para 1500 V, desde que a somatória das capacitâncias não ultrapasse 10 nF.
Nunca instale um dispositivo que tenha sido instalado anteriormente sem uma barreira intrinsecamente segura em um sistema intrinsecamente seguro, pois o diodo zener de proteção pode estar queimado e não vai atuar em áreas intrinsecamente segura.
Ao considerar a questão de shield e aterramento em barramentos de campo, deve-se levar em conta:
• A compatibilidade eletromagnética (EMC);
• Proteção contra explosão;
• Proteção de pessoas.
De acordo com a IEC 61158-2, aterrar significa estar permanentemente conectado ao terra através de uma impedância suficientemente baixa e com capacidade de condução suficiente para prevenir qualquer tensão que possa resultar em danos de equipamentos ou pessoas. Linhas de tensão com 0 Volt devem ser conectadas ao terra e serem galvanicamente isoladas do barramento fieldbus. O propósito de se aterrar o shield é evitar ruídos de alta frequência.
Preferencialmente, o shield deve ser aterrado em dois pontos: no início e no final do barramento, desde que não haja diferença de potencial entre estes pontos, permitindo a existência e caminhos a corrente de loop. Na prática, quando esta diferença existe, recomenda-se aterrar o shield somente em um ponto, ou seja, na fonte de alimentação ou na barreira de segurança intrínseca. Deve-se assegurar a continuidade da blindagem do cabo em mais de 90% do comprimento total do cabo.
O shield deve cobrir completamente os circuitos elétricos através dos conectores, acopladores, splices e caixas de distribuição e junção.
Nunca deve-se utilizar o shield como condutor de sinal. É preciso verificar sua continuidade até o último equipamento PA do segmento, analisando a conexão e acabamento, pois este não deve ser aterrado nas carcaças dos equipamentos.
Em áreas classificadas, se uma equalização de potencial entre a área segura e área perigosa não for possível, o shield deve ser conectado diretamente ao terra (Equipotential Bonding System) somente no lado da área perigosa. Na área segura, o shield deve ser conectado através de um acoplamento capacitivo (capacitor preferencialmente cerâmico -dielétrico sólido- C <= 10 nF, tensão de isolação >= 1,5 kV).
A IEC 61158-2 recomenda que se tenha a isolação completa. Este método é utilizado principalmente nos Estados Unidos e na Inglaterra. Neste caso, o shield é isolado de todos os terras, a não ser o ponto de terra do negativo da fonte ou da barreira de segurança intrínseca do lado seguro. O shield tem continuidade desde a saída do coupler DP/PA, passa pelas caixas de junções e distribuições e chega até os equipamentos. As carcaças dos equipamentos são aterradas individualmente do lado não seguro. Este método tem a desvantagem de não proteger os sinais de comunicação totalmente dos sinais de alta frequência e, dependendo da topologia e comprimento dos cabos, pode gerar a intermitência de comunicação. Recomenda-se nestes casos o uso de canaletas metálicas.
Uma outra forma complementar à primeira seria aterrar as caixas de junções e as carcaças dos equipamentos em uma linha de equipotencial de terra no lado não seguro. Os terras do lado não seguro com o lado seguro são separados.
A condição de aterramento múltiplo também é comum, onde se tem uma proteção mais efetiva às condições de alta frequência e ruídos eletromagnéticos. Este método é preferencialmente adotado na Alemanha e em alguns países da Europa. Neste método, o shield é aterrado no ponto de terra do negativo da fonte ou da barreira de segurança intrínseca do lado seguro e além disso, no terra das caixas de junções e nas carcaças dos equipamentos, sendo estas também aterradas pontualmente, no lado não seguro. Uma outra condição seria complementar a esta, porém os terras seriam aterrados em conjunto em uma linha equipotencial de terra, unindo o lado não seguro ao lado seguro.
Para mais detalhes, sempre consultar as normas de segurança do local. Recomenda-se utilizar a IEC 60079-14 como referência em aplicações em áreas classificadas.
O shield (a malha, assim como a lâmina de alumínio) deve ser conectado ao terra funcional do sistema em todas as estações (via conector e cabo DP), de tal forma a proporcionar uma ampla área de conexão com a superfície condutiva aterrada.
A máxima proteção se dá com os todos os pontos aterrados, onde se proporciona um caminho de baixa impedância aos sinais de alta frequência.
Nos casos onde se tem um diferencial de tensão entre os pontos de aterramento, recomenda-se passar junto ao cabeamento uma linha de equalização de potencial (a própria calha metálica pode ser utilizada ou, por exemplo, um cabo AWG 10-12). Veja a figura 16.
A figura 18 apresenta detalhes de cabeamento, shield e aterramento quando se tem áreas distintas.
Quanto ao aterramento, recomenda-se agrupar circuitos e equipamentos com características semelhantes de ruído em distribuição em série e unir estes pontos em uma referência paralela. Recomenda-se aterrar as calhas e bandejamentos.
Um erro comum é o uso de terra de proteção como terra de sinal. Vale lembrar que este terra é muito ruidoso e pode apresentar alta impedância. É interessante o uso de malhas de aterramento, pois apresentam baixa impedância. Condutores comuns com altas frequências apresentam a desvantagem de terem alta impedância. Os loops de correntes devem ser evitados. O sistema de aterramento deve ser visto como um circuito que favorece o fluxo de corrente sob a menor indutância possível. O valor de terra deve ser menor do que 10 Ω.
Seguem algumas recomendações:
As figuras 22 e 23 mostram condições inadequada e adequada do aterramento indevido do shield em Profibus-PA:
