Aumento do potencial da Terra - Earth potential rise

Em engenharia elétrica , o aumento do potencial de terra (EPR), também chamado de aumento do potencial de terra (GPR), ocorre quando uma grande corrente flui para a terra através de uma impedância de grade de terra . O potencial relativo a um ponto distante na Terra é mais alto no ponto onde a corrente entra no solo e diminui com a distância da fonte. O aumento do potencial de aterramento é uma preocupação no projeto de subestações elétricas porque o alto potencial pode representar um perigo para as pessoas ou equipamentos.

A mudança de voltagem ao longo da distância (gradiente de potencial) pode ser tão alta que uma pessoa pode se ferir devido à voltagem desenvolvida entre dois pés ou entre o solo onde a pessoa está e um objeto de metal. Qualquer objeto condutor conectado ao aterramento da subestação, como fios telefônicos, trilhos, cercas ou tubulação metálica, também pode ser energizado no potencial de aterramento na subestação. Este potencial transferido é um perigo para as pessoas e equipamentos fora da subestação.

Um cálculo de computador do gradiente de tensão em torno de uma pequena subestação. Onde o gradiente de voltagem é íngreme, há perigo de choque elétrico para os transeuntes.

Causas

O aumento do potencial de terra (EPR) é causado por falhas elétricas que ocorrem em subestações elétricas, usinas de energia ou linhas de transmissão de alta tensão. A corrente de curto-circuito flui através da estrutura e do equipamento da planta e para o eletrodo de aterramento. A resistência da Terra é diferente de zero, então a corrente injetada na Terra no eletrodo de aterramento produz um aumento de potencial em relação a um ponto de referência distante. O aumento potencial resultante pode causar tensão perigosa, a muitas centenas de metros de distância do local real da falha. Muitos fatores determinam o nível de perigo, incluindo: corrente de falha disponível, tipo de solo, umidade do solo, temperatura, camadas de rocha subjacentes e tempo de limpeza para interromper uma falha.

O aumento do potencial da Terra é uma questão de segurança na coordenação dos serviços de energia e telecomunicações. Um evento EPR em um local, como uma subestação de distribuição elétrica, pode expor pessoas, usuários ou estruturas a tensões perigosas.

Tensões de passo, toque e malha

"Tensão escalonada" é a tensão entre os pés de uma pessoa próxima a um objeto aterrado energizado. É igual à diferença de tensão, dada pela curva de distribuição de tensão, entre dois pontos a distâncias diferentes do "eletrodo". Uma pessoa pode correr o risco de se ferir durante uma falha simplesmente por ficar perto do ponto de aterramento.

"Tensão de toque" é a tensão entre o objeto energizado e os pés de uma pessoa em contato com o objeto. É igual à diferença de voltagem entre o objeto e um ponto a alguma distância. A voltagem de toque pode ser quase a voltagem total através do objeto aterrado se esse objeto estiver aterrado em um ponto remoto do local onde a pessoa está em contato com ele. Por exemplo, um guindaste que foi aterrado ao neutro do sistema e que entrou em contato com uma linha energizada exporia qualquer pessoa em contato com o guindaste ou sua linha de carga não isolada a uma tensão de toque quase igual à tensão de falha total.

"Tensão de malha" é um fator calculado ou medido quando uma grade de condutores de aterramento é instalada. A tensão da malha é a maior diferença de potencial entre objetos metálicos conectados à rede e o solo dentro da rede, sob as piores condições de falha. É significativo porque uma pessoa pode estar dentro da grade em um ponto com uma grande voltagem em relação à própria grade.

Mitigação

Uma análise de engenharia do sistema de energia sob condições de falha pode ser usada para determinar se as tensões de toque e degrau perigosas serão desenvolvidas ou não. O resultado desta análise pode mostrar a necessidade de medidas de proteção e pode orientar a seleção de precauções adequadas.

Vários métodos podem ser usados ​​para proteger os funcionários de gradientes de potencial de terra perigosos, incluindo zonas equipotenciais, equipamentos de isolamento e áreas de trabalho restritas.

A criação de uma zona equipotencial protegerá o trabalhador que estiver dentro dela de tensões perigosas de degrau e toque. Essa zona pode ser produzida através do uso de uma esteira de metal conectada ao objeto aterrado. Normalmente, este tapete de metal (ou malha de aterramento) é conectado a hastes de aterramento enterradas para aumentar o contato com a terra e reduzir efetivamente a impedância da rede. Em alguns casos, uma rede de aterramento pode ser usada para equalizar a tensão dentro da rede. Zonas equipotenciais não protegerão, no entanto, os funcionários que estão total ou parcialmente fora da área protegida. A união de objetos condutores na área de trabalho imediata também pode ser usada para minimizar a tensão entre os objetos e entre cada objeto e o aterramento. (Ligar um objeto fora da área de trabalho pode aumentar a tensão de toque para esse objeto em alguns casos, no entanto.)

O uso de equipamento de proteção individual isolante, como luvas de borracha, pode proteger os funcionários que manuseiam equipamentos e condutores aterrados de tensões de toque perigosas. O equipamento de isolamento deve ser classificado para a tensão mais alta que pode ser impressa nos objetos aterrados sob condições de falha (em vez de para a tensão total do sistema).

Os trabalhadores podem ser protegidos contra degraus perigosos ou tensões de toque proibindo o acesso a áreas onde podem ocorrer tensões perigosas, como dentro dos limites da subestação ou áreas próximas a torres de transmissão. Os trabalhadores obrigados a manusear condutores ou equipamentos conectados a um sistema de aterramento podem exigir luvas de proteção ou outras medidas para protegê-los de condutores acidentalmente energizados.

Em subestações elétricas, a superfície pode ser coberta com uma camada de brita ou asfalto de alta resistividade. A camada de superfície fornece uma alta resistência entre os pés e a grade de aterramento e é um método eficaz para reduzir o risco de tensão de degrau e toque.

Cálculos

Em princípio, o potencial da terra grade V grade pode ser calculado usando a lei de Ohm , se a corrente de falha ( I f ) e resistência da grelha ( Z grade são conhecidas).

Embora a corrente de falha de um sistema de distribuição ou transmissão possa geralmente ser calculada ou estimada com precisão, o cálculo da resistência da grade de aterramento é mais complicado. Dificuldades no cálculo surgem da forma extensa e irregular de grades de aterramento práticas e da resistividade variável do solo em diferentes profundidades.

Em pontos fora da grade terrestre, o aumento potencial diminui. O caso mais simples do potencial à distância é a análise de um eletrodo de haste acionado em terra homogênea. O perfil de tensão é dado pela seguinte equação.

Onde

é um ponto do centro da grade terrestre (em metros).
é a tensão à distância da grade terrestre, em volts .
é a resistividade da terra, em Ω · m.
é a corrente de falta à terra, em amperes .

Este caso é um sistema simplificado; os sistemas de aterramento práticos são mais complexos do que uma única haste, e o solo terá resistividade variável. Pode-se, no entanto, dizer com segurança que a resistência de uma grade de aterramento é inversamente proporcional à área que cobre; esta regra pode ser usada para avaliar rapidamente o grau de dificuldade de um determinado site. Os programas executados em computadores pessoais de mesa podem modelar os efeitos da resistência do solo e produzir cálculos detalhados do aumento do potencial do solo, usando várias técnicas, incluindo o método dos elementos finitos .

Padrões e regulamentos

A Administração de Segurança e Saúde Ocupacional dos Estados Unidos (OSHA) designou o EPR como um "perigo conhecido" e emitiu regulamentos que regem a eliminação desse perigo no local de trabalho.

Os equipamentos de proteção e isolamento são fabricados de acordo com os padrões nacionais e internacionais descritos pelo IEEE , National Electrical Codes (UL / CSA), FCC e Telcordia.

IEEE Std. 80-2000 é um padrão que aborda o cálculo e a mitigação de tensões de degrau e toque para níveis aceitáveis ​​em torno de subestações elétricas.

Proteção de alta tensão de circuitos de telecomunicações

Por si só, um aumento do potencial de aterramento não é prejudicial a nenhum equipamento ou pessoa ligada ao mesmo potencial de aterramento. No entanto, quando um condutor (como uma linha de telecomunicação metálica) ligado a um potencial de terra remoto (como a Central / Bolsa) entra na área sujeita ao GPR, a diferença conflitante de potenciais pode criar riscos significativos. A alta tensão pode danificar o equipamento e representar perigo para o pessoal. Para proteger a comunicação com fio e os circuitos de controle em subestações, dispositivos de proteção devem ser aplicados. Os dispositivos de isolamento evitam a transferência de potencial para dentro ou para fora da área GPR. Isso protege o equipamento e o pessoal que, de outra forma, poderiam ser expostos simultaneamente a ambos os potenciais de aterramento e também evita que altas tensões e correntes se propaguem em direção à central telefônica ou outros usuários conectados à mesma rede. Os circuitos podem ser isolados por transformadores ou por acoplamentos de fibra óptica não condutores . (Dispositivos de interrupção de surto, como blocos de carbono ou derivações de tubo de gás para o aterramento, não isolam o circuito, mas desviam as correntes de alta tensão do circuito protegido para o aterramento local. Este tipo de proteção não protegerá totalmente contra os perigos do GPR, onde o perigo é de um aterramento remoto no mesmo circuito.)

Os padrões de telecomunicações definem uma "zona de influência" ao redor de uma subestação, dentro da qual os equipamentos e circuitos devem ser protegidos do efeito do aumento do potencial de terra. Na prática norte-americana, a zona de influência é considerada limitada pelo "ponto de 300 volts", que é o ponto ao longo de um circuito de telecomunicações no qual o GPR atinge 300 volts em relação à terra distante. O ponto de 300 volts que define uma zona de influência em torno de uma subestação depende da resistividade do solo e da quantidade de corrente de falha . Ele definirá um limite a uma certa distância da grade de solo da subestação. Cada subestação tem sua própria zona de influência, uma vez que as variáveis ​​explicadas acima são diferentes para cada local.

No Reino Unido, qualquer site sujeito a um Potencial de Ascensão da Terra (ROEP) é referido como um 'Hot-Site'. A Zona de Influência foi historicamente medida em qualquer lugar dentro de 100m do limite do composto de alta tensão em um Hot-Site. Dependendo do tamanho do local geral, isso pode significar que partes de um local maior podem não precisar ser classificadas como 'Quentes' ou (inversamente) a influência de locais pequenos pode se estender para áreas fora do controle do proprietário do terreno. Desde 2007, é permitido usar a Recomendação S34 da Energy-Networks-Association (ENA) ('Um Guia para Avaliar o Potencial de Elevação da Terra em Locais de Subestação') para calcular a Zona Quente. Isso agora é definido como uma marcação de contorno em que a ROEP excede 430 V para linhas de energia de confiabilidade normal, ou 650 V para linhas de alta confiabilidade. A 'Zona' se estende em um raio de qualquer trabalho de metal colado, como o sistema de eletrodo de aterramento do local ou cerca de limite. Isso pode efetivamente reduzir o tamanho geral da Hot-Zone em comparação com a definição anterior. No entanto, eletrodos de aterramento de tira e qualquer revestimento metálico / blindagem de cabos de energia que se estendam para fora desta zona continuariam a ser considerados como "quentes" por uma distância de 100 m do limite, abrangendo uma largura de dois metros. em cada lado do condutor. É responsabilidade da própria Indústria de Abastecimento Elétrico (ESI) calcular a Zona Quente.

A Openreach (uma empresa do BT Group encarregada de instalar e manter uma maioria significativa da rede telefônica física no Reino Unido) mantém um Hot-Site Register, atualizado a cada 12 meses por informações fornecidas voluntariamente pelas empresas ESI no Reino Unido. Qualquer engenheiro da Openreach visitando um site no registro deve ser treinado no Hot-Site. Certas práticas de trabalho e considerações de planejamento devem ser seguidas, como não usar cabos telefônicos blindados, vedar totalmente as juntas dos cabos para evitar o acesso, revestimento de pares individuais de fios além da extremidade da capa do cabo e isolamento (fora da Zona Quente ) qualquer linha a ser trabalhada. Assume-se que é responsabilidade da parte que está solicitando a instalação inicial de um serviço para cobrir o custo de fornecimento de links de isolamento, dispositivos de isolamento de serviço e entroncamento claramente marcado para a passagem de cabos, e tudo deve ser parte do processo de planejamento.

Em algumas circunstâncias (como quando um local 'frio' é atualizado para o status 'quente'), a Zona de Influência pode abranger propriedades residenciais ou comerciais que não sejam propriedade da Indústria de Suprimentos Elétricos. Nesses casos, o custo de proteção retroativa de cada circuito telefônico pode ser proibitivamente alto, portanto, um eletrodo de drenagem pode ser fornecido para trazer de volta o potencial de aterramento local a níveis seguros.

Veja também

Referências

[1] ACIF Working Committee CECRP / WC18, AS / ACIF S009: 2006 Requisitos de instalação para cabeamento do cliente (Regras de fiação) , Australian Communications Industry Forum, North Sydney, Austrália (2006) ISBN  1-74000-354-3

links externos