Aterramento de estações rádio – Equipotencialização, potenciais no solo e equipamentos sensíveis

A premissa geral associada a este conceito corresponde ao isolamento entre o sistema de força e o sistema de referência dos equipamentos de sinal. No passado, tal conceito era largamente empregado quando o aterramento de computadores e equipamentos eletrônicos era posicionado separadamente dos demais, para fins de se obter um terra de referência. Entretanto, com as limitações de espaço nos perímetros urbanos a interação entre as malhas gera problemas graves de acoplamento condutivo (VELASCO, 2002).

Figura 2 – Aterramento Isolado (MAMEDE, 2010).

Atualmente as divergências de conceitos tidas por profissionais da área de eletrotécnica e de telecomunicações fazem com que esse conceito ainda seja aplicado nas ERBs tipo rooftop, problemática que será analisada durante todo esse trabalho.

2.2.2 Aterramento de pôr Ponto Único

 Sendo recomendado pela literatura e documentos normativos (para aterramento de baixas frequências), essa técnica se refere à conexão compartilhada ou um único ponto central de aterramento. As conexões ou equipotencializações são feitas de forma radial e culminam em uma única referência de potencial no solo, conforme figura 3.

Figura 3 – Esquema aterramento ponto único (VISACRO, 2002).

Segundo Visacro (2002, p. 147) a intenção dessa prática é evitar os acoplamentos de tensões causadas por interferências eletromagnéticas e que originam o fluxo de correntes através das junções estabelecidas em relação às referências de terra.

A utilização desse tipo de filosofia elimina a transferência de potencial decorrente de distúrbios nas malhas de terra, uma vez que todos os equipamentos estão conectados no mesmo patamar, flutuam sobre o mesmo potencial.

2.2.3 Aterramento com Equipotencialização

Esse sistema se caracteriza pela interligação de várias malhas de terra, conforme figura 4. Todas as partes metálicas se interconectam através de um condutor no menor caminho possível formando um grande sistema mitigador de diferenças de potenciais entre os sistemas.

A conexão por caminhos de baixa impedância através de conexão direta de todas as malhas e partes metálicas, usualmente, resulta em valores reduzidos para impedância de aterramento. Assim, pode-se considerar também uma técnica de otimização de sistemas enterrados.

Ainda segundo Visacro (2002, p. 151) as elevações de potencial originadas da injeção de correntes no solo associadas a ocorrências internas, como curto-circuitos, não alcançam valor elevado, devido ao valor reduzido da impedância de aterramento. O potencial nesse arranjo se estende por todo o sistema, cujos aterramentos contribuem, dessa forma para dissipação de corrente.

Figura 4 – Esquema de representação ‘Aterramento com equipotencialização’ (VISACRO, 2002).

2.3 O Solo e suas Generalidades

 A caracterização do solo, bem como do seu comportamento quando da passagem de corrente elétrica é de fundamental importância na análise de fenômenos ligados ao aterramento elétrico. Os solos, geralmente, não são homogêneos, mas formados por diversas camadas (figura 5) de resistividade em profundidades diferentes. Normalmente, essas camadas são praticamente horizontais e paralelas à superfície do solo e constituem o resultado da formação geológica do solo.

Figura 5 – Estrutura do solo em camadas (XGSlab GUIDE)

Com medições de resistência elétrica é possível se conhecer as características elétricas do solo e caracteriza-lo em diferentes camadas, sua profundidade e a resistividade aparente de cada camada. De posse dessas informações poderá se conhecer a relação da passagem de corrente com o potencial disperso no solo.

2.3.1 Potenciais no Solo

 Perturbações elétricas como curto-circuito fase-terra geram injeção de corrente que por sua vez geram gradientes de potencial no solo. Conhecido como GPR (Ground Potential Rise – Aumento do Potencial do Solo), trata-se do valor de potencial em relação ao terra remoto. Conforme apresentado na Figura 6, para uma corrente injetada em um ponto existe a formação de um gradiente de potencial a uma determinada distancia “r”. (figura 6)

Figura 6 – Potencial elétrico em um ponto p localizado a uma distância r da injeção de corrente em um solo com duas camadas.

Em relação a um ponto remoto (ponto de referência onde o potencial é igual a zero), o potencial no ponto P devido à injeção da corrente I é calculado pela expressão (1).

Conforme apresentado, é possível calcular o valor exato de potencial em um eletrodo passivo quando submetido a interação de um outro ponto onde ocorre a injeção de corrente, dessa forma pode-se elucidar o acoplamento condutivo apresentado no item 2.2.1 onde é citado a filosofia de aterramento independente.

Figura 7 – Distribuição dos potenciais com injeção de corrente no TERRA 1

Para explicar de forma mais generalista, os potenciais presentes no solo, tem-se apresentado na Figura 7, dois sistemas de aterramento T1 e T2. Supor, inicialmente que o aterramento T1 injete no solo uma elevada corrente elétrica, resultado de um curto-circuito monofásico. A corrente percorrerá pelo solo deixando linhas de potenciais com valores decrescentes partindo do ponto de injeção T1.

Na Figura 7 observa-se então, que os aterramentos T1 e T2 ficam submetidos aos diferentes potenciais P1 e P2, correspondentes à diferentes módulos de potencial dispersos no solo, resultado de uma injeção de corrente no terra T1.

2.4 Considerações sobre Equipotencialidade

 Segundo Téllo (2017), em relação a interligação de sistemas de aterramento:

[…] É importante citar, que um dos parâmetros que indica o uso de ‘terra ponto único’, ou ‘terra de múltiplos pontos’, é o comprimento dos cabos de interligação [Lobo, 1987]. Isso posto, se o comprimento de cabos de interligação for menor do que, por exemplo 30 metros (valor típico) o terra de ponto único pode ser recomendável. […] fundamentalmente, o que se deseja, é ter caminhos de baixa impedância para correntes transitórias. Outro aspecto a considerar, é o de que a equalização do potencial é desejável, porém, em certas situações, torna-se inviável por aspectos técnicos ou econômicos.

Segundo Sobral (2017 p. 10) uma quase equipotencialidade pode existir em uma malha de terra ou outros sistemas de aterramento durante curtos-circuitos, circulação de harmônicos e outras perturbações periódicas.

Dentro dessa realidade a interligação de sistemas aterrados ganha força e é citada em documentos normativos como ação efetiva para prevenir diferenças de potencial em diferentes pontos de sistemas equipotencializados frente a transitórios eletromagnéticos.

Figura 8 – Durante um curto-circuito todos os condutores de malha assumem o mesmo potencial (SOBRAL, 2017).

A Figura 8 apresenta a situação de um curto-circuito em que os pontos equipotencializados atingem o mesmo potencial em relação ao terra remoto GPR. Tal situação é desejável quando se tem preocupação com a suportabilidade elétrica dos equipamentos que deve garantida. Esse assunto será discutido com mais detalhes no próximo tópico.

2.5 Equipamentos Eletrônicos Sensíveis

Qualquer equipamento que usa eletrônica digital em seu funcionamento está sujeito a ação de campos eletromagnéticos e pode ser considerado um EES. O fenômeno envolvendo campos elétricos ou magnéticos é conhecido como EMI (Electromagnetic Interference – Interferência Eletromagnética).

Figura 9 – Esquema mostrando a conexão de um EES (MAMEDE, 2010).

A Figura 9 apresenta as conexões de um EES proposto por Mamede (2010). Nessa é possível perceber a notória participação do aterramento no funcionamento e operação de um Equipamento Sensível.

Nesse tipo de equipamento existem dois tipos de conexão com a terra. O primeiro indicado como ‘condutor de proteção’ tem a função de básica de conduzir até a terra as correntes de massa, ou seja, equipotencializa todas as carcaças de dos equipamentos são ligadas a esse condutor. O segundo representado como ‘terra de referência de sinal’ tem como função elementar gerar referência de potencial do circuito eletrônico.

2.6 Acoplamento Condutivo Resistivo

Segundo Mamede (2010 p. 230), acoplamento resistivo é a transferência de potencial de um ponto qualquer do solo, onde é injetada uma corrente elétrica, a um ponto remoto nas proximidades conforme figura 10.

Em operações de rotina apenas correntes de pequena magnitude são injetadas no solo, geralmente relacionadas a desequilíbrio do sistema trifásico. Entretanto, a ocorrência de anomalias como descargas atmosféricas e correntes de curto-circuito monofásicas, que possuem capacidade de injeção superiores a 1kA são geradores de valores altos de potenciais no solo.

 Figura 10 –  Efeito acoplamento resistivo (MAMEDE, 2010).

3 Materiais e Métodos

 A tipologia típica de aterramento ERB aqui colocada para análise, ainda hoje é muito implementada em perímetros urbanos com grande parcela de verticalização e por sua vez limitação de espaço. A utilização da cobertura de prédios para a montagem da ERB é conhecida como tipologia Rooftop e é implementada depois que o edifício já se encontra concluído.

Dessa forma pretende-se analisar a interação de um aterramento de força existente em um determinado edifício e sua interação com a possível implantação de um aterramento de referência de sinal de uma ERB colocada na estrutura. Para isso utiliza-se as dimensões de um prédio residencial comum com o aterramento de força existente sendo uma malha quadrada de 4×4 com mesh de 2m e para o aterramento da ERB será utilizado uma configuração usual de malha quadrada com lado de 3m. O distanciamento entre as malhas se moldará por meio de uma planta baixa de um prédio real assumindo uma distância de 12,85m entre as malhas. A Figura 11 elucida a situação proposta.

3.1 Ambiente de simulação

A partir disso passa-se para as simulações com o software comercial XGSlab para verificações de potencial no solo na ocorrência de uma anomalia no sistema elétrico. Para simulação dessa falta será considerado que o solo é estratificado em duas camadas (Tabela 2) adotando medições  (Tabela 1) contidas em Kinderman (2011, p. 43) para caracterização do solo.

Tabela 1 – Medições de resistividade do solo adotado (KINDERMAN, 2011).

Tabela 2 – Parâmetros do solo estratificado em duas camadas. Estratificado usando XGSlab

Analisar-se-á uma falta, curto-circuito monofásico, na grandeza de 1,5kA (tabela 3), nível típico de áreas urbanas, que acontecerá na malha de força. A ideia geral é que o eletrodo de força seja a fonte e o da ERB a vítima. Para o sistema de aterramento foi considerado uma profundidade típica de 0,5m, utilizando como material condutor cordoalhas de cobre.

Tabela 3 – Correntes de falta simuladas nos aterramentos

3.1.1 Potenciais no Solo Simulados

Para entender a dispersão de potenciais no solo após a ocorrência do curto-circuito na malha de força, o evento foi simulado utilizando o software comercial XGSlab que retornará gráficos indicando os níveis de tensão presentes no solo de acordo com a distância de cada eletrodo de aterramento, conforme figura 12.

Figura 12 – Potenciais no solo (3D) e legenda de cores.

É possível perceber através das legendas de cores que no local onde ocorre a anomalia (malha de força) temos uma elevação de potencial da ordem de 60kV que diminui em função da distância da ocorrência. A potência em vermelho onde está locada a malha da ERB é da ordem de 5kV. A figura 13 mostra as linhas de potencial em 2D.

Figura 13 – Potenciais no solo (2D) e legenda de cores

Para conhecimento ainda mais íntimo desses potenciais, foi traçado uma linha de cálculo e plotada juntamente com o potencial no aterramento na ERB.

Figura 14 – Linha de cálculo de potenciais (em vermelho)

Figura 15 – Resultados da linha de cálculo de potenciais no solo

Na Figura 14 visualiza-se através da linha vermelha os cálculos dos potenciais conforme estipulado na figura 15. A linha azul mostra o potencial no eletrodo de aterramento da ERB à uma distância de aproximadamente 13m da malha de força e por sua vez do surto.

4  Resultados

Conforme visto no item 2.6 o acoplamento resistivo é a transferência de potencial de um ponto qualquer do solo até um ponto nas proximidades. A partir do item 3, dado o solo e os parâmetros colocados foi possível observar essa transferência de potencial até a malha de ERB.

Dessa forma fica notório a existência de uma interação entre as malhas de terra de forma a se estabelecer um acoplamento condutivo entre as mesmas. Trazendo isso para a situação na qual se encontra o EES nesse contexto, retorna-se a que fora exposto no item 2.5, o qual apresenta a existência dessa mesma interação entre “terras” (ver figura 16), contudo nesse momento, interno ao equipamento no formato das barras de terra de proteção advinda da malha de força e de referência provida da malha de terra da ERB.

Dessa forma pode-se colocar que existirá uma interação no equipamento proveniente da alta diferença de potencial entre as malhas no momento do surto, essa ocorrência pode chegar a valores na ordem de 60kV (conforme foi possível visualizar na simulação), o que trará dano aos equipamentos da ERB.

Figura 16 – Esquema interno ao equipamento interação entre as barras

6 Conclusões

Cada vez mais, à medida que o consenso normativo se amplia, as aplicações que possuem a interação de sistemas de potência, telecomunicações, radiofrequência, entre outras, como é o caso das ERB’s tem melhorado o diálogo sobre as diferentes ‘práticas/filosofias’ de aterramento.

Este artigo buscou sistematizar uma série de informações obtidas em artigos e livros técnicos trazendo filosofias de aterramento para os equipamentos eletrônicos sensíveis das Estações Rádio Base. Mostra as principais características de cada tipo de aterramento, tentando esclarecer que a utilização da filosofia de aterramento isolado ou independente não é prática adequada para ERB’s, principalmente em perímetros urbanos onde a limitação de espaço é mais aguda.

O tema é extenso, complexo, com uma certa polêmica e não esgotado em relação às funcionalidades de cada área onde se aplica o sistema de aterramento.

De qualquer maneira, espera-se que todas as informações aqui colocadas possam ser utilizadas no sentido de esclarecer os alicerces e os principais aspectos a serem avaliados com maiores detalhes na realização de projetos e adequações de sistemas de aterramentos de Estações Rádio Base.