PERGUNTAS/RESPOSTAS SOBRE A ENERGIA ELÉTRICA
5.a Parte

Elétrica

                                                                         Jorge Knirsch
jorgeknirsch@byknirsch.com.br

  Introdução

No último artigo, tecemos alguns comentários a respeito dos harmônicos. Aprofundamos um pouco a teoria e mostramos a influência que eles exercem sobre os aparelhos de áudio e vídeo, em especial sobre as fontes de alimentação. Caso vocês tenham dúvidas, ou mesmo contribuições a dar, não deixem de me escrever.
       Venho acompanhando vários sites e grupos de áudio/vídeo e tenho notado que o tema do aterramento ainda está gerando grandes discussões. As opiniões têm sido bastante díspares, de forma que vamos voltar a este assunto aqui, para maiores esclarecimentos.
      Recebemos uma valiosa contribuição do Engenheiro Eletrônico, formado pela FEI, Ronaldo Merola, de São José dos Campos – São Paulo, que nos faz uma excelente explanação da maneira como se deve realizar um aterramento ideal. Esta colaboração nos é bastante oportuna, pois muitos estão discutindo também a proteção necessária para os seus sistemas e esta abordagem é importante para considerarmos este aspecto. Vamos então ao e-mail do Ronaldo, que estamos reproduzindo abaixo, na íntegra. Em seguida, faremos alguns comentários a respeito. 

 © 2008-2018 Jorge Bruno Fritz Knirsch
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O Aterramento Ideal

 Caro Jorge,
      Espero que tudo esteja correndo bem com você! Foi um grande prazer poder participar do último curso de percepção auditiva e aprender os detalhes da metodologia aplicada pela revista, para a avaliação de produtos Hi-Fi e High-End. Posso afirmar que a apresentação feita pelo Andrette foi esclarecedora e conclusiva. Evidente que nem todos os conceitos me ficaram totalmente claros, visto que não tenho tanto conhecimento em relação à música, também não sou músico, nem tão pouco toco instrumento musical, mas não ficou dúvida que existem diferenças, e acima de tudo, parâmetros, nos equipamentos de áudio, que não se podem medir e que são bastante diferentes de um conjunto para outro.
      Bem, estou lhe escrevendo para compartilhar algumas idéias, conceitos e experiências, relativos a sistemas de aterramento, assunto que, tenho certeza, conversaríamos por bastante tempo.
      Os sistemas de aterramento têm como principal função proteger os usuários de equipamentos elétricos, em relação às descargas atmosféricas e às fugas de corrente elétrica nos próprios equipamentos. Como o potencial de aterramento é definido como referência de segurança e também como referência para sistemas de energia, pode-se conectar "o cabo terra" como referência para sistemas de blindagens eletromagnéticas, otimizando-se as "Gaiolas de Faraday", formadas pelas caixas dos produtos. Com isso, se diminui a irradiação de interferências e/ou aumenta-se à imunidade a interferências irradiadas por outros equipamentos. Esses são os conceitos utilizados pelos fabricantes, ao usar cabos e plugues de três pinos, com o terceiro pino ligado à carcaça do equipamento. É interessante notar que o pino de terra é sempre o mais longo, justamente para garantir a proteção elétrica antes de se aplicar efetivamente energia ao equipamento; após energizada, a carcaça do produto estaria no potencial de terra, protegendo o usuário em relação a fugas de corrente e otimizando o efeito de blindagem eletromagnética da caixa do produto.
      Outro conceito bastante interessante é a "tensão de passo", que seria a diferença de potencial gerada por uma descarga atmosférica (raio) na distancia de um passo. Como a energia envolvida em uma descarga atmosférica é enorme, essa tensão é bastante alta, podendo causar grandes danos e prejuízo para equipamentos e até a morte de pessoas, caso estejam próximas do ponto da queda do raio. É interessante observar que a tensão de passo está relacionada com a resistividade do terreno e, em casos extremos, pode-se ver o raio correr sobre o terreno, até que seja dissipada toda a energia do raio na terra.
      Os conceitos são simples, mas a sua aplicação sempre gera confusões. É bastante comum, para grupos que necessitam de aterramento, por um motivo ou por outro, criarem seus próprios fantasmas. Dai se ter aterramento para sistemas de informática, sistemas de telefonia, sistemas de medição, sistema de controle de descargas eletrostáticas (ESD), sistema de distribuição de energia, sistemas de pára-raios, etc.
      Você pode imaginar a dificuldade de se administrar e manter esses sistemas, que além de tudo são inseguros, devido à tensão de passo. Isso fica ainda mais crítico, se a área a ser protegida for muito grande, como é o caso de sítios, fazendas ou grandes áreas industriais.
      Daí a proposta de se criar um sistema de terra que circunde a propriedade, de forma a interligar diversas hastes de aterramento, criando-se uma malha equipotencial. Com isto, se manteria toda a área protegida em um único potencial, minimizando-se ou eliminando-se o efeito da tensão de passo. Quando da ocorrência de uma descarga, toda a área fica vinculada a um potencial comum. Mesmo que a descarga atmosférica caia nas redondezas, criar-se-ia uma ilha onde as diferenças de potencial seriam mínimas e amarradas entre si pela rede de aterramento. Esse sistema de aterramento se torna a referência absoluta de terra para todas as aplicações, criando proteção e uma referência de características técnicas bastante adequadas para todas as aplicações que necessitem de aterramento. É claro que a quantidade de hastes deve ser dimensionada, levando-se em consideração a área, o tipo de terreno, e a impedância mínima da rede de aterramento, que dependerá do que será ligado ao cabo terra. Nestas condições, ficam contempladas todas as possibilidades relacionadas com o uso de aterramento, tanto do ponto de vista de proteção eletromagnética quanto do ponto de vista de segurança elétrica.
      Nas aplicações em que estou envolvido, não encontrei necessidade de se solicitar terras especiais, visto que essas aplicações têm boa tolerância em relação ao ruído e potencial de terra. O limite de ruído para os equipamentos, com os quais trabalho, é de 80dB, enquanto que para muitos equipamentos de áudio a especificação passa de 100dB e, só para lembrar, essa escala é logarítmica. Para casos críticos, a minha proposta seria se criar um ponto de aterramento isolado da malha descrita, mas inscrito na área de proteção do sistema de aterramento principal. Com isto, se isolariam os ruídos (elétricos) gerados por outros equipamentos e conduzidos ao sistema de aterramento, como os gerados por fontes chaveadas de microcomputadores, pequenos motores elétricos, etc. Imagino que essa seja a situação ideal para sistemas High-End de áudio, na região do topo do pinheiro, onde se obteria uma melhora no desempenho de filtros e das blindagens dos equipamentos, conseqüentemente, se otimizando o ruído de fundo dos produtos. Talvez, em sistemas menos críticos, esse cuidado não precise ir a extremos, como o descrito acima - espero confirmar isso no próximo modulo do curso de percepção de áudio....
      Estive visitando o seu site e notei que você, além de apaixonado por áudio, é também engenheiro eletrônico e, pela sua descrição, você também pesquisou a fundo todos os detalhes relacionados com a cadeia de áudio. Baseado nisso, gostaria de lhe perguntar porque você não partiu para criar e comercializar produtos de áudio como amplificadores, pré-amplificadores, cd-players, caixas acústicas etc?
      Esperando de alguma forma ter contribuído para o assunto,
                        atenciosamente
                                                                                                   Ronaldo Merola

 A Teoria e a Prática 

As colocações do Ronaldo Merola são muito interessantes e oportunas. Só temos a acrescentar alguns comentários a este arrazoado de idéias.
      A função primordial de qualquer aterramento, sem dúvida nenhuma, é a proteção da pessoa humana e dos equipamentos, como já havíamos mencionado anteriormente. Porém, o aterramento tem ainda um “efeito bonificação”, se assim podemos dizer, um efeito surpresa para muitos, bastante benéfico, que é a redução do sinal/ruído, muito bem lembrada pelo Ronaldo. Esta redução da relação sinal/ruído promove, no áudio e no vídeo no topo do pinheiro, uma melhoria drástica no palco sonoro, no seu significado mais abrangente. O recorte dentro do palco sonoro e também o foco, como o respiro/ambiência/arejamento, melhoram de forma audível. Esta é a razão porque insisto tanto que se faça um bom aterramento, mesmo para sistemas mais simples onde, inicialmente, ainda não se pode detectar ou perceber todas as melhorias ocorridas. Por que? Porque, quando quisermos instalar algum novo equipamento, de melhor nível, poderemos realmente fazer uma avaliação correta da qualidade sonora que ele traz para o nosso sistema, tanto para melhor quanto para pior. De outra forma, poderíamos chegar a conclusões equivocadas. É uma das razões que tem tumultuado o mercado, entre outros aspectos, propiciando tantas contradições nas avaliações dos equipamentos!
       Outro conceito interessante, apresentado pelo Ronaldo, é a tensão de passo! Quando um raio bate em algum objeto, cria-se, neste ponto, uma tensão muito alta. E como esta tensão se dissipa? Vocês poderão entender melhor como isto ocorre, imaginando uma pedra sendo atirada no meio de um lago. A tensão vai se propagando em circunferências circunscritas ao ponto específico onde o raio bateu (na nossa imaginação, seria como acontece com as circunferências que se formam na água, circunscritas ao ponto onde a pedra caiu), cada uma dessas circunferências com um raio medindo um passo a mais que o anterior, uma após outra, se afastando do ponto onde o raio bateu. Neste exemplo estamos pré-supondo resistividade uniforme do solo. À medida que a tensão vai se propagando, também vai abaixando de forma exponencial, até cair novamente a zero, isto tudo acontecendo em milésimos de segundos após a queda do raio. A distância do ponto onde o raio caiu até a circunferência onde a tensão de passo se torna nula poderá chegar a ter alguns metros ou até algumas dezenas de metros, dependendo da resistividade do solo. Como exemplo, poderemos mencionar uma situação que já ocorreu várias vezes, por imprudência ou por simples falta de conhecimento das pessoas envolvidas.

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       Imaginem uma pessoa em um campo de futebol, durante um temporal com inúmeros raios no céu. Será que vocês, como eu, também aprenderam na escola que jamais deveríamos ficar em lugares abertos, descampados, durante uma tempestade? Pois é!... Imaginem ainda que, na beira deste campo, exista uma árvore e que, sobre esta árvore, caia um raio. Naquele momento, a tensão na árvore será máxima, na ordem de alguns milhares de volts, abaixando passo a passo através das circunferências circunscritas com centro na árvore. Se alguém se encontrar em alguma destas circunferências, talvez venha a sofrer uma fortíssima descarga elétrica, o que poderá lhe custar a vida!  Quem não se lembra de ter visto casos como estes noticiado nos jornais? Na verdade, nesta situação, pouca proteção se pode ter. Não devemos permanecer em descampados, durante uma tempestade e contra a tensão de passo, não há garantia alguma, pois a área é realmente de muito risco!
      Vamos supor agora que um pára-raios seja instalado nesta árvore, com várias hastes colocadas no contorno do campo de futebol, interligadas eletricamente, inclusive com uma malha de aterramento entre elas, formando um grande retângulo equipotencial e que agora bata um raio neste pára-raio. Quanto maior o número de hastes, com maior área abrangida, menor fica a impedância do aterramento e, em conseqüência, muito menor será a tensão de passo que se criará. Uma pessoa a alguns metros do cabo que circunda o campo, no interior do retângulo, já terá uma proteção melhor e atendidas outras premissas, provavelmente nada lhe acontecerá. Esta é uma situação ideal. Note que as novas normas brasileiras, exigem que os novos prédios, que hoje estão sendo construídos, tenham uma malha de aterramento com hastes circundando o terreno do edifício e este, esteja dentro de uma gaiola de Faraday. E o neutro deverá ficar ligado a esta malha. (NBR 5410 TN).
       Mas... vocês têm consciência da nossa verdadeira realidade? Vocês acham que os aterramentos das nossas casas, ou dos nossos prédios, foram realizados desta forma? Será que algum dos nossos leitores poderia nos dar a boa notícia de que o aterramento da sua residência foi feito desta forma ideal? Vocês já se conscientizaram que nós nem ao menos temos tomadas de três pinos? Quantos poderiam pensar que tomadas deste tipo deveriam ser obrigatórias entre nós? Vocês saberiam dizer como tem sido realizado o aterramento do neutro, pela concessionária de energia?
      Vejam: como o nosso sistema de distribuição é aéreo, o aterramento do neutro se torna um problema sério! A concessionária só aterra o neutro, com hastes, nos pontos onde são instalados os transformadores abaixadores da alta tensão para a baixa tensão. Somente isso! Mas, e se o ponto mais próximo da nossa residência estiver a uma distância razoável, como fica?! No passado, cada poste tinha um aterramento para o neutro, mas por algum motivo (custo?) isto já não é feito mais e agora é exigido que cada residência coloque uma haste de aterramento na sua entrada! Sabem, para mim tudo isto parece uma brincadeira!
      Quanto mais aterrado estiver o neutro, ou seja, quanto maior for o número de hastes enterradas e distribuídas pela rede, mais facilmente a tensão de passo diminuirá e se anulará! Temos que aterrar o neutro em todo o lugar possível! Apenas uma haste na entrada do terreno é absolutamente insuficiente! Creio que a obrigação do aterramento não deveria recair somente sobre o usuário, mas em primeiro lugar deveria ser uma função própria da concessionária de energia! Aqui entre nós, as coisas estão totalmente trocadas, invertidas!
      Nos EUA e na Europa o sistema de distribuição é todo subterrâneo! E por que? Porque isto garante uma segurança muito maior. O aterramento do neutro lá ocorre em todo lugar, o tempo todo, pois há um contato direto da linha do neutro com a terra durante todo o percurso. E também, se ocorrer um curto entre fase e neutro, como o sistema já está enterrado, o risco de qualquer acidente fica drasticamente reduzido. E, nessas condições, a tensão de passo também fica bastante reduzida!
      Mesmo assim, tanto nos EUA quanto na Europa, apesar do aterramento do neutro ser muito melhor do que o nosso e apesar de todas as tomadas conterem três pinos, o que possibilita o aterramento de todos os aparelhos, ainda assim se verifica que a relação sinal/ruído não é baixa o suficiente para os sistemas de áudio/vídeo. É por isso que vários dos fabricantes de equipamentos de áudio e vídeo, como a Hubbell entre outros, por exemplo, recomendam um aterramento em separado (NBR5410, sistema TT), para abaixar ainda mais o nível de ruído do sistema. Vocês podem imaginar agora a relação sinal/ruído do nosso neutro aqui, tão mal aterrado como é? O Ronaldo menciona um valor em torno de 80dB, para os sistemas com os quais ele trabalha, que considero razoável, mas na realidade a nossa rede elétrica possui uma relação sinal/ruído muito pior, em torno de 40 a 60dB, dependendo da região. No nosso sistema de áudio, este nível deve estar abaixo de 120dB ou mais, e senhores...  no topo do pinheiro isto é audível!! Esta é a razão por que para nossos equipamentos sensíveis de áudio e vídeo o aterramento TT é superior ao TN. Porém medidas de segurança adicionais deverão ser tomadas, como inscrever o aterramento TT no aterramento TN, como o Ronaldo Merola colocou e ainda colocarmos proteções adicionais entre terra e neutro.
      Apesar de verificarmos muito desconhecimento nesta matéria, não podemos criticar os especialistas das outras áreas, como da telefonia, da informática, do sistema bancário, etc, por criarem seus “fantasmas” de aterramento, à medida que procuram encontrar soluções tecnicamente viáveis para os seus problemas, pois todos eles estão tentando fugir desta situação caótica com que nos deparamos na nossa rede elétrica. Sabem, a maioria faz o melhor que pode, com o melhor conhecimento que possui, face aos fatos que os rodeiam, procurando as melhores soluções!
      Quanto ao aterramento TT, separado da malha de aterramento do neutro, colocado internamente e independente desta malha, é muito apropriado e correto, porém a sua execução poderá ser um pouco mais difícil de ser realizada numa construção já acabada. O ideal seria primeiro se fazer a malha externa, circundando todo o terreno, para depois bater as hastes de aterramento no meio da sala de som e imagem, para podermos aterrá-la!! Como vocês vêem, isto seria ideal para quem pretende construir a sua casa executando o aterramento com a orientação de um engenheiro ou um de um técnico no assunto, antes mesmo do início da construção. Para residências com as suas construções já concluídas, poderíamos bater as hastes deste aterramento no jardim, mas de preferência inscrito no aterramento do neutro.
      Bem, e agora, como fica a questão da proteção necessária aos nossos sistemas?  Este ponto é fundamental! Face à qualidade do aterramento que o nosso neutro tem, sou de opinião que deveremos ter uma proteção para possíveis sobre-tensões, tanto para os nossos equipamentos quanto para toda a nossa casa, principalmente entre terra e neutro.
       Em residências comuns, com apenas uma haste na entrada aterrando o neutro, uma eventual sobre-tensão advinda de um possível raio, poderá chegar a níveis ainda elevados e danificar os equipamentos! Caso alguém faça o aterramento com várias hastes, em torno da sua casa, para o neutro, como sugere o Ronaldo, o seu risco se reduz drasticamente. (NBR5410, sistema TN). Mas, mesmo assim, para os equipamentos da casa, que estão ligados diretamente ao neutro e à fase, seria bom colocar mais uma proteção, por medida de segurança. Isto vale também para o aterramento em separado, para a sua sala de áudio e vídeo, (NBR5410, sistema TT).
       Porém não é qualquer circuito de proteção que funciona adequadamente. Existem dois grandes grupos de protetores, os que usam componentes em paralelo à rede e os que usam componentes em série. Para a sua casa, você poderá colocar aqueles que usam componentes em série, mas infelizmente não poderá usá-los para o seu som e imagem. Por que? Porque os componentes em série, normalmente bobinas de ferrite, metalizam os agudos e influenciam negativamente no resultado final do seu som e da sua imagem. Inclusive marcas famosas, importadas, utilizam estes componentes e outros, em série, que não são recomendáveis. É melhor utilizar protetores e filtros que estejam somente em paralelo com a rede para não acrescentarem coloração para o seu som e para a sua imagem.
                                                                  Conclusão

         Mostramos aqui, como teoricamente um aterramento deve ser realizado em linhas gerais, com o aterramento correto do neutro e da realização do aterramento separado TT para o nosso sistema. Infelizmente a realidade está muito distante da teoria, em parte pelo próprio sistema adotado no Brasil. Mas com o tempo e com a nova norma sendo aplicada cada vez mais, esta situação deverá melhorar com o passar do tempo. Infelizmente não é o caso dos harmônicos, que estão aumentando constantemente, devido ao fato do sistema todo estar trabalhando cada vez mais no limite. Espero que esta bela contribuição do Ronaldo Merola incentive outros a trazerem suas valiosas contribuições. Conto com vocês!
      Coloco meu e-mail à disposição de vocês: jorgeknirsch@byknirsch.com.br 

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