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Sistema de aterramento de uma usina solar fotovoltaica
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As plantas de geração fotovoltaica abrangem uma grande variedade de instalações. No âmbito da CE 003:102.001 – Aterramentos Elétricos, do CB-3 – Comitê de Eletricidade da ABNT, existe a tendência de se adotar a seguinte classificação: geradores fotovoltaicos e usinas fotovoltaicas.

Sendo geradores fotovoltaicos as plantas que atendem diretamente um consumidor, instaladas em coberturas de edificações ou de estacionamentos (residenciais, comerciais e industriais), ou no solo, em terrenos anexos a outras instalações.

E as usinas fotovoltaicas as plantas de geração dedicadas, de solo, compreendendo vários arranjos fotovoltaicos e interconectadas diretamente à rede de média-tensão de uma concessionária ou interligadas ao SIN (Sistema Interligado Nacional) por meio de uma subestação de alta-tensão, instaladas também em consórcio com outras plantas geradoras, seja junto a um parque eólico ou em uma represa de uma hidroelétrica (usinas fotovoltaicas flutuantes).

Usinas Fotovoltaicas

Estas plantas têm área significativa, usualmente acima de 1 ha, e são subdivididas em unidades menores, por vezes chamadas de setores, cada uma constituída por arranjos de placas fotovoltaicas interligadas a uma unidade conversora, onde inversores fazem a conversão c.c./c.a.

Nestas usinas é comum o uso de trackers, estruturas de suporte dos módulos fotovoltaicos motorizadas, comandadas por equipamentos que monitoram a posição do Sol e rotacionam as mesas dos arranjos fotovoltaicos de modo a maximizar a geração de energia ao longo do dia.

Nas plantas de médio porte, com potência típica na faixa de 1 MWp a 5 MWp, a energia c.a. produzida por grupos de setores é elevada para uma tensão de distribuição (13,8 kV ou 25 kV) para a interligação com a rede da concessionária de energia local.

Nas usinas de grande porte os setores são maiores, da ordem de 10 MWp, e concentram a energia c.c. nas unidades de conversão (conversion unities), onde estão localizados os inversores e onde é feita a elevação da tensão, normalmente para 34,5 kV, sendo a energia gerada enviada por meio de circuitos subterrâneos para a subestação coletora. 

O sistema de aterramento de uma usina fotovoltaica é formado por uma malha de aterramento, usualmente de cabo de cobre nu ou de aço-cobreado de 50 mm², que não tem o padrão reticulado da malha de uma subestação, e utiliza ao máximo as valas de cabos existentes. Um anel de aterramento no perímetro da usina fotovoltaica é mandatório. O projeto deste sistema de aterramento tem três objetivos básicos:

  • fornecer um caminho para a terra para correntes elétricas em geral, que podem ser cargas eletrostáticas, descargas atmosféricas ou faltas para a terra na rede de energia c.c./c.a.;
  • garantir o controle dos potenciais de passo e de toque em toda a área da usina fotovoltaica, quando da ocorrência de uma falta para a terra na subestação coletora;
  • promover a equipotencialização de todas as estruturas de trackers e de equipamentos (caixas de ligação, inversores, transformadores etc.) – onde o termo equipotencialização significa interligação, até porque é impossível a efetiva equipotencialização de um sistema de aterramento deste porte, mesmo em 60 Hz.

Normas de aterramento de usinas fotovoltaicas

Frequentemente recebemos projetos de sistemas de aterramento de plantas solares que tratam a usina fotovoltaica como se fosse uma grande subestação, por vezes com uma malha de aterramento que constitui um imenso reticulado.

Trata-se de um equívoco comum, devido ao fato deste tipo de planta de geração ser relativamente recente no Brasil e, também, por ainda não haver uma norma ABNT que aborde o sistema de aterramento de usina fotovoltaica de grande porte.

No âmbito da normalização internacional existe a norma IEC/TS 62738:2018 – Ground-mounted photovoltaic power plants – Design guidelines and recommendations, que aborda usina fotovoltaica de solo de grande porte, porém é omissa quanto ao sistema de aterramento.

A norma norte-americana IEEE-2778-D4 – IEEE Guide for Solar Power Plant Grounding for Personnel Protection, aborda bem o tema, focando usina fotovoltaica de solo com mais de 5 MWp de potência instalada.

Esta norma enfatiza bastante as diferenças entre os projetos de aterramento de uma usina fotovoltaica e de subestações, estas últimas regidas pela conhecida norma IEEE Std. 80.

Atualmente o comitê de CE 003:102.001 – Aterramentos Elétricos, do CB-3 – Comitê de Eletricidade da ABNT, está trabalhando na elaboração de uma norma brasileira de aterramento de usina fotovoltaica de grande porte. 

A norma IEEE-2778-D4:2020

O escopo da norma IEEE foca usina fotovoltaica de solo com mais de 5 MWp de potência instalada e enfatiza bastante as diferenças entre os projetos de aterramento de usina fotovoltaica e de subestações, estas últimas regidas pela conhecida norma IEEE Std. 80.

Neste aspecto, o guia observa a não aplicabilidade às subestações das usina fotovoltaica, porém se os sistemas de aterramento da SE e da usina fotovoltaica estiverem interligados, partes do guia podem ser aplicáveis.

Da mesma forma, o escopo destaca a sua não-aplicabilidade a geradores fotovoltaicos, aterramentos de subestações e aos sistemas de proteção contra raios.

O guia destaca que o seu objeto principal é a proteção de pessoas com relação a faltas para à terra na rede elétrica da usina fotovoltaica. A falta para à terra mais crítica, do ponto de vista de segurança humana, é a que pode ocorrer no barramento de média ou alta-tensão da subestação da usina fotovoltaica. Neste aspecto é enfatizada a necessidade do controle dos potenciais de passo e de toque em toda a área da usina fotovoltaica. 

As medições de resistividade do solo devem ter em mente a modelagem de camadas rasas e profundas do solo. As sondagens para a modelagem das camadas rasas devem ser feitas ao longo de uma matriz de estações espaçadas da ordem de 500 m, com espaçamentos Wenner de até 32 metros.

A modelagem das camadas profundas exige uma quantidade menor de pontos de sondagem, porém com aberturas de eletrodos de corrente da ordem de até 1 km.

A norma reconhece que o sistema de aterramento de uma usina fotovoltaica é formado pelas estruturas metálicas acima do solo interligadas por cabos de cobre nu ou de aço-cobreado enterrados.

É enfatizado que um bom projeto vai utilizar o mínimo de cabo necessário para promover a interligação das estruturas dos trackers entre si e às Conversion Unities, que são conjuntos de inversores e transformadores elevadores que atendem um determinado setor de arranjos fotovoltaicos. As Conversion Unities devem ser providas de um anel de aterramento.

Devido à grande área de uma usina fotovoltaica, a norma observa a inadequação de uma malha de padrão reticulado, conforme é feito nos projetos de subestações, assim como o uso de brita para aumentar os valores de tensões de passo e de toque toleráveis.

Devido à grande quantidade de material utilizado no sistema de aterramento de uma usina fotovoltaica, não são viáveis economicamente dimensionamentos conservativos ou o superdimensionamento, conforme tipicamente se observa em subestações.

Em termos de topologia básica do sistema de aterramento a norma sugere anéis no perímetro de setores de arranjos fotovoltaicos, entre 1 MWp e 4 MWp, o que resulta em uma malha com reticulado da ordem de 150 m, conforme mostra a Figura 1.

As estruturas dos trackers podem fazer parte deste sistema de aterramento, eliminando a necessidade do reticulado, conforme ilustrado na Figura 2. Ainda assim, o anel perimetral pode ser necessário, para o controle dos gradientes de potenciais no solo.

A norma observa que a grande área do sistema de aterramento de uma usina fotovoltaica torna inviável o cálculo manual dos aterramentos, e esclarece que são necessários recursos de software de simulação bem mais rigorosos do que os utilizados para o projeto de aterramentos de malhas de aterramento de subestações.

Neste caso, faz-se necessária a utilização de um software que tenha capacidade de modelagem de sistemas de grande porte e que considere a impedância longitudinal dos condutores (malha não equipotencial).

A cerca deve ser objeto de preocupação, com o cálculo dos potenciais de toque e a avaliação da sua interligação, ou não, ao sistema de aterramento da usina fotovoltaica.

Finalmente a norma aborda a questão do comissionamento, recomendando avaliações de integridade do sistema de aterramento e informando que um projeto baseado em um modelo de solo adequado compensa a impossibilidade da medição de resistência/impedância de aterramento, em função do porte do sistema.

Figura 1: Malha de aterramento conceitual de uma UFV com reticulado da ordem de 150 m [reprodução da Figura 2 da IEEE-2778-D4:2020].

  • Figura 1: Malha de aterramento conceitual de uma UFV com reticulado da ordem de 150 m [reprodução da Figura 2 da IEEE-2778-D4:2020]

Figura 2: Sistema de aterramento de uma UFV utilizando as estruturas dos trackers [reprodução da Figura 2 da IEEE-2778-D4:2020]

Figura 2: Sistema de aterramento de uma UFV utilizando as estruturas dos trackers [reprodução da Figura 2 da IEEE-2778-D4:2020]

Projeto de norma ABNT de aterramento de usina fotovoltaica

São listados abaixo os aspectos a serem considerados nesta norma, muitos dos quais são abordados na norma IEEE-2778-D4:2020:

  • aspectos relativos às campanhas geoelétricas e à modelagem do solo para o projeto do sistema de aterramento, complementando ou modificando os critérios básicos já estabelecidos na norma NBR-7117;
  • a corrente crítica para a UFV é a de falta para a terra no barramento de média ou alta-tensão da SE coletora – única corrente que vai fluir para o solo e que vai gerar gradientes de potenciais no solo (tensões de passo e de toque);
  • importância de software de simulação que considere a impedância longitudinal dos condutores – devido às grandes dimensões, o sistema de aterramento não é equipotencial;
  • interfaces do aterramento das UFV com os aterramentos dos seus subsistemas (c.a., c.c, média-tensão, alta-tensão), regidos por outras normas ABNT;
  • aterramento da rede de média-tensão, inclusive das blindagens dos cabos;
  • desempenho do sistema de aterramento frente a eventos de baixa-frequência, tipicamente uma falta para a terra na rede de média ou alta-tensão, e de natureza impulsiva, associados especialmente a quedas de raios;
  • aterramento da cerca – se a resistividade do solo é elevada (> 1000 Ωm) os gradientes de potenciais no solo mais críticos podem ocorrer nas quinas das cercas;
  • o comissionamento dos aterramentos da UFV deve focar nos testes de continuidade e de integridade das conexões, complementando ou modificando os critérios básicos já estabelecidos na norma NBR-15.749.

Fonte: https://canalsolar.com.br/sistema-de-aterramento-de-uma-usina-solar-fotovoltaica/

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Projeto de aterramento elétrico: atualizações nos parâmetros do solo
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Por Paulo Edmundo F. Freire*

Confira os recentes avanços nas técnicas de medição de resistividade do solo e modelagem geoelétrica 

Publicada em novembro de 2020, a revisão da norma ABNT NBR 7117 – que trata sobre os parâmetros do solo para um projeto de aterramento elétrico – trouxe para os profissionais da engenharia importantes avanços nas técnicas utilizadas para a realização de medições de resistividade do solo e na obtenção de modelos de solo apropriados para projetos elétricos, especificamente no que diz respeito aos sistemas de aterramento e de proteção contra descargas atmosféricas.

O objetivo desta atualização foi audacioso, pois compatibilizou a norma com os amplos recursos disponíveis pela geofísica para a construção de modelos da estrutura geoelétrica da crosta terrestre – os chamados modelos geoelétricos. 

Principais atualizações

São diversos os aspectos abordados e atualizados na diretriz, como:

  • As definições e conceitos envolvidos na caracterização dos modelos geoelétricos;
  • A importância do conhecimento da geologia como informação essencial para a elaboração de um correto modelo geoelétrico, especialmente no caso de aterramentos de instalações de grande porte;
  • As considerações sobre contribuições de informações geotécnicas frequentemente disponíveis pela engenharia civil (sondagens SPT etc.), e que são capazes de fornecer importantes subsídios para a construção dos modelos geoelétricos. Como exemplos podem ser destacadas as profundidades do freático, do impenetrável (definido pelas sondagens SPT) e do embasamento rochoso;
  • A ênfase no volume de solo a ser prospectado para a construção do modelo geoelétrico, que deve ser diretamente proporcional às dimensões do terreno a ser abrangido pela malha e aterramento;
  • A importância das medições serem feitas em terreno limpo, onde não haja a interferência de estruturas condutivas enterradas (armaduras de fundações, cabos de aterramento e tubulações metálicas);
  • A abordagem mais completa das técnicas de medição de resistividade do solo, incorporando ao conhecido método elétrico (arranjos de Schlumberger e de Wenner) as técnicas eletromagnéticas (TDEM – Time-Domain Electromagnetic e MT – Magnetotelúrico);
  • Considerações sobre a natureza das curvas de resistividade aparente do solo, que são o produto das medições realizadas no campo e que são afetadas por ruídos, interferências e desvios estáticos (static-shift);
  • Técnicas de processamento das medições e de produção de uma curva média de resistividades aparentes do solo foram apresentadas, a ser invertida para a obtenção do modelo geoelétrico 1D, caracterizado por multicamadas horizontais.

A importância da revisão 

As definições e os conceitos envolvidos na caracterização dos modelos geoelétricos precisavam ser revisados, pois na versão anterior da norma eles expressavam o ponto de vista da engenharia elétrica, que é limitado por não ter o enfoque de geologia. Nesta revisão, as definições e as nomenclaturas são compatíveis com a visão geofísica – ciência cujo escopo é o estudo da estrutura da crosta terrestre.

O conhecimento básico da estrutura geológica da área objeto do estudo é essencial para a obtenção de um modelo geoelétrico efetivamente representativo, especialmente no caso de malhas de aterramento de grande porte. Um projeto de aterramento frequentemente revela falhas importantes por desconsiderar o conhecimento da geologia local, resultando em modelos geoelétricos equivocados e, consequentemente, em projetos sub ou superdimensionados, que não atendem os requisitos estabelecidos pelas demais normas que regem os sistemas de aterramento.

Diferenças entre o projeto das fundações e o projeto de aterramento

Em qualquer empreendimento, as investigações geotécnicas realizadas pela engenharia civil para o projeto das fundações são sempre mais completas e cuidadosas do que as investigações feitas para o projeto da malha de aterramento. 

Esta peculiaridade é facilmente explicável, uma vez que, se o projeto das fundações conter erros, existe o risco de a estrutura desabar. Já se houver falhas no projeto da malha de aterramento, há de se esperar a ocorrência de um evento de curto-circuito ou de queda de raio para eventualmente constatar o problema, eventos estes que não acontecem tão frequentemente.

Os cegos, o elefante e a resistividade

O volume de solo que define a resistência de aterramento de uma malha é em função das suas dimensões. A sistemática de medição que é aplicável para uma subestação de distribuição, com dimensão da ordem de dezenas de metros, não pode ser a mesma aplicada a uma área industrial ou a uma subestação de grande porte, que tem dimensão da ordem de centenas de metros. 

Por isso, utilizar medições de resistividade do solo com pouco espaçamentos para caracterizar o modelo geoelétrico de uma malha com dimensões muito maiores lembra a história dos cegos que foram descrever o elefante a partir apenas do contato com alguma de suas partes – dependendo de quem tocou a tromba, a perna, a barriga ou o rabo, as descrições foram completamente distintas. Aqui, de novo, pode-se relatar inúmeros projetos bastante equivocados.

A versão antiga da norma contemplava apenas o método da eletrorresistividade, um procedimento elétrico para a medição da resistividade do solo. Métodos eletromagnéticos, como o TDEM e o magnetotelúrico, que tem uma capacidade de penetração em profundidade muito maior, já são utilizados em projetos específicos de sistemas de aterramento para eletrodos de sistemas de transmissão HVDC e malhas de parques eólicos e de usinas fotovoltaicas.

As curvas de resistividade aparente são afetadas por ruídos e pelo chamado desvio-estático. Os ruídos afetam as medições feitas em solos de alta-resistividade (acima de 1000 Ωm), onde o equipamento de medição pode ter dificuldade de injetar corrente suficiente para produzir uma leitura de tensão com boa relação sinal/ruído. 

O desvio estático é associado a variações de resistividade das camadas rasas do solo que afetam a simetria da medição, manifestando-se pelo deslocamento vertical da curva de resistividades aparentes. Este tipo de desvio ocorre em todos os tipos de mensurações que envolvem a medição de campos elétricos na superfície do solo (tanto os métodos elétricos como no AMT/MT).

A resistividade do solo apresenta distribuição estatística log-normal, como, aliás, ocorre com a maioria dos parâmetros em geologia. Assim sendo, para se obter uma curva média de um conjunto de medições, é recomendável a utilização da média geométrica dos valores medidos. 

Este é um importante ajuste feito na norma, cuja versão anterior adotava a média aritmética, associada a parâmetros que têm distribuição estatística normal (Gaussiana). A diretriz propõe também uma nova metodologia para a eliminação de valores extremos (outliers) por meio de filtragem por desvio padrão dos logaritmos das resistividades aparentes medidas.

A nova norma não aborda as metodologias de combinação de curvas de resistividade aparentes medidas por diferentes técnicas de sondagens geofísicas em uma curva única, que inclusive colaboram para o ajuste, ainda que parcial, dos desvios estáticos, e que viabilizam uma modelagem geoelétrica que vai desde a superfície do solo até camadas profundas da crosta terrestre, da ordem de quilômetros.

A revisão da diretriz que trata sobre os parâmetros do solo para um projeto de aterramento elétrico continuará a ser abordada em publicações futuras deste blog.

Aprenda a desenvolver projetos de aterramento 

Gostaria de saber mais sobre os conceitos básicos e fundamentais de aterramento e aprender a desenvolver projetos para linhas de transmissão e para subestações elétricas em conformidade com as normas que tratam do assunto? 

Já estão abertas as inscrições para o curso “Aterramento de subestações e linhas de transmissão”, ministrado pelo professor Paulo Edmundo da F. Freire – engenheiro eletricista, mestre em Sistemas de Potência pela PUC-RJ e doutor em Geociências pela Unicamp.Serão 21 horas de aulas ao vivo e 100 % online, com aulas ministradas pela plataforma Zoom. As aulas ocorrerão de 22 de agosto a 12 de setembro de 2022. Confira mais informações e inscreva-se clicando aqui.

*Paulo Edmundo da Fonseca Freire é engenheiro eletricista e Mestre em Sistemas de Potência (PUCRJ). Doutor em Geociências (UNICAMP) e membro do CIGRE e do COBEI, também atua como diretor da Paiol Engenharia.

Fonte: https://institutosetoreletrico.com.br/projeto-de-aterramento-eletrico-atualizacoes-nos-parametros-do-solo/