ELE618 - Sistemas Elétricos Industriais

Instalações Elétricas - Ademaro A. M. B. Cotrim
Capítulo 3 - Proteção contra coques elétricos - fundamentos

Prof. Dr. Thales A. C. Maia

UFMG - DEE

A corrente elétrica no corpo humano

IEC/TS 60479 e os perigos da eletricidade

• IEC/TS 60479-1: Efeitos da corrente em seres humanos e animais (Aspectos gerais).
• IEC/TS 60479-2: Aspectos especiais (frequências >100Hz, formas de onda especiais).
• IEC/TS 60479-3: Correntes passando pelo corpo de animais.
• IEC/TR 60479-4: Efeitos de descargas atmosféricas.
• IEC/TR 60479-5: Valores-limite de tensão de contato para efeitos fisiológicos.

Os perigos da eletricidade

• Qualquer atividade biológica é estimulada ou controlada por impulsos de corrente elétrica.

• Tetanização: Contração muscular produzida por corrente elétrica. Diversos estímulos simultâneos produzem contrações repetidas (contração tetânica).

• A pessoa pode ficar “agarrada” à peça sob tensão durante a diferença de potencial.

• Limite de largar: Valor máximo de corrente que uma pessoa, tendo à mão um objeto energizado, pode ainda o largar.

  • CA (50/60 Hz): 6 a 14 mA (mulheres, média 10 mA) e 9 a 23 mA (homens, média 16 mA).
  • CC: 51 mA (mulheres) e 76 mA (homens).

• Queimaduras: Passagem da corrente é acompanhada do desenvolvimento de calor por efeito Joule. A situação é mais crítica na entrada e saída devido à:

  • Elevada resistência elétrica da pele.
  • Soma da resistência de contato com a da pele.
  • Alta densidade de corrente nas áreas de contato.

Fibrilação Ventricular

• Fenômeno fisiológico mais grave; ocorre quando a corrente elétrica passa pelo coração.
• Responsável por mortes em acidentes elétricos.
• É irreversível, mas pode ser revertida com desfibrilador elétrico (choque aplicado ao tórax).

Fig. 1: Ciclo cardíaco com indicação do período vulnerável dos ventrículos.

Fig. 2: Eletrocardiograma (ECG) que mostra a fibrilação ventricular e a pressão arterial.

Zonas de Efeitos da Corrente

Fig. 3: Zonas de efeito de corrente alternada (15 a 100 Hz) entre mão e pé sobre as pessoas.

• Efeito Skin (Pelicular): O efeito da corrente diminui com o aumento da frequência. Em alta frequência, a corrente tende a passar pela parte superficial do corpo (pele), sem afetar órgãos vitais.

Tab. 1: Valores do fator de corrente do coração (F) para diferentes trajetos da corrente.

Fig. 4: Corrente elétrica versus freqüência para a mesma contração muscular.

Impedância do Corpo Humano

• A resistência (ou impedância) não é constante; varia de pessoa para pessoa.

Fig. 5: Modelo de impedância para o corpo humano.

Fundamentos da proteção

Contatos Direto e Indireto

• O perigo não é apenas tocar um elemento energizado (parte viva ou massa sob tensão), mas tocar simultaneamente outro elemento com potencial diferente (diferença de potencial).

Proteção Básica e Supletiva

• Proteção Básica: Contra contatos diretos. Garantida pela qualidade dos componentes (isolação de partes vivas, barreiras ou invólucros).
• Proteção Supletiva: Contra contatos indiretos. Envolve adoção de equipotencialização, seccionamento automático da alimentação, isolação suplementar e separação elétrica.
• Regra Geral: Partes vivas não devem ser acessíveis e massas acessíveis não devem oferecer perigo.

Proteções Ativa e Passiva

• Proteção Passiva: Limita a corrente elétrica que pode atravessar o corpo humano ou impede o acesso a partes vivas.
• Proteção Ativa: Utiliza métodos/dispositivos que proporcionam o seccionamento (abertura) automático do circuito em caso de faltas perigosas.
• Influências externas determinantes: Competência das pessoas (BA), resistência do corpo (BB) e contato das pessoas com potencial da terra (BC).

Classificação e Impedância do Corpo

Tab. 2: Classificação dos métodos de proteção contra choques elétricos.

Fig. 6: Impedância do corpo humano em função da tensão de contato (CA com até 100 Hz).

• BB1: Pele seca.
• BB2: Pele úmida.

Tensão de Contato-Limite

• Valor mais alto da tensão de contato que pode se manifestar, ocorrendo falta de impedância desprezível.
• Resumo de Situações:
  • Situação 1: (Locais secos, residenciais, comerciais, industriais) - 50 V.
  • Situação 2: (Áreas externas, locais molhados) - 25 V.
  • Situação 3: (Submersos, piscinas) - 12 V.

Tab. 3: Valores da tensão de contato-limite UL (V).

Aterramento e eqüipotencialização

Definições e Fundamentos

• Aterramento: Ligação elétrica intencional e de baixa impedância com a terra (solo).
• Ligação Eqüipotencial: Ligação elétrica que coloca massas e elementos condutores praticamente no mesmo potencial.
• Solo: A terra atua como um condutor para dispersar a corrente elétrica.

Tipos de Aterramento

• Aterramento Funcional: Ligação à terra de um dos condutores do sistema (geralmente o neutro) para o funcionamento seguro.
• Aterramento de Proteção: Ligação à terra das massas e elementos condutores estranhos, visando proteção contra choques (contato indireto).
• Eletrodo de Aterramento: Condutor ou conjunto de condutores enterrados no solo intimamente ligados à terra.

Tab. 4: Valores típicos de resistividade de solos.

Resistência de Aterramento

• Resistência de aterramento do eletrodo

\[R_T = \frac{U_T}{I}\]

Fig. 7: Variação das tensões geradas no solo pela passagem de corrente em um eletrodo de aterramento.

Fig. 8: Hipótese simplificadora para a definição da resistência de aterramento do conjunto eletrodo–solo.

Fig. 9: Resistência de aterramento e variação da tensão.

Fig. 10: Condutor elétrico equivalente de seção variável.

Tensões e Eletrodos de Aterramento

Fig. 11: Corrente circulando entre dois eletrodos independentes.

• Tensão de Passo: Parte da tensão a qual pode ser submetida uma pessoa com pés separados por 1 metro. Diminui à medida que a pessoa se afasta do aterramento (máxima junto à haste).

Fig. 12: Tensão de passo UP.

Tensão de Falta e Tensão de Contato

• Tensão de falta (\(U_F\)) — ou “tensão total para terra”: tensão que aparece entre uma massa e uma haste de aterramento de referência, quando ocorre uma falha de isolamento.
• Tensão de contato (\(U_B\)): tensão que pode aparecer acidentalmente entre duas partes simultaneamente acessíveis, em caso de falha de isolamento.

Fig. 13: Tensão de contato (UB) e tensão de falta (UF).

• Sendo \(R\) a resistência entre o elemento condutor e a terra (com queda \(U_R\)) e \(R_A\) a resistência de aterramento das massas:

\[U_F = U_B + U_R \tag{3.5}\]

• A tensão de contato é, em geral, inferior à tensão de falta. Se o elemento condutor estiver no potencial da terra (\(R \approx 0\), \(U_R \approx 0\)), então \(U_F = U_B\).
• Em ligação eqüipotencial entre massa e elemento condutor, \(U_F = U_R\) e a tensão de contato tende a zero.
• A NBR 5410 usa \(U_F\) (não \(U_B\)) nas prescrições de seccionamento automático — está a favor da segurança.

Eletrodos de Aterramento - Tipos e Materiais

• Preferencialmente, usar as próprias armaduras do concreto das fundações.
• Usar fitas, barras ou cabos metálicos imersos no concreto das fundações (anel no perímetro).
• Malhas metálicas enterradas.
• Anel metálico enterrado circundando a edificação.
• Material: Resistir à corrosão e ter resistência mecânica adequada.

Tab. 5: Eletrodos de aterramento mais comumente utilizáveis.

Hastes e Configurações

• Hastes: Aço com capa de cobre são as mais comuns. Profundidade da haste é muito influente.
• Para diâmetros maiores (superiores a 25 mm) a diminuição na resistência é pequena.

Fig. 14: Eletrodo constituído por uma haste cravada verticalmente no solo.

Fig. 15: Hastes em paralelo.

Expressões Práticas da Resistência de Aterramento

O livro apresenta expressões aproximadas para o cálculo da resistência de aterramento (\(R_T\)) de diferentes tipos de eletrodo, úteis em subestações e instalações industriais.

(a) Haste cravada verticalmente — Expressão 3.6, já mostrada na Figura 3.15:

\[R_T = \frac{\rho}{2\pi l}\ln\left(\frac{4l}{d}\right) \tag{3.6}\]

onde \(\rho\) (\(\Omega \cdot m\)) é a resistividade do solo, \(l\) (m) é o comprimento da haste e \(d\) (m), seu diâmetro.

• Quanto maior \(l\), menor \(R_T\) — mas hastes muito longas são difíceis de cravar (usa-se 2, 2,4 ou 3 m).
• O diâmetro tem pouca influência (entra como logaritmo); raramente se usam hastes com \(d > 25~\text{mm}\).

(b) Condutor enterrado horizontalmente no solo:

\[R_T = \frac{2\rho}{l} \tag{3.7}\]

onde \(l\) (m) pode ser:

• O próprio perímetro, em anéis de fundo de escavação ou enterrados a 0,5 m ao longo do perímetro da edificação (comum em anéis de aterramento de subestações e galpões industriais).
• O comprimento da vala, em valas horizontais (cabo contrapeso).

(c) Chapa enterrada verticalmente:

\[R_T = 0{,}8\,\frac{\rho}{l} \tag{3.8}\]

onde \(l\) (m) é o perímetro da placa.

(d) Viga metálica (perfil estrutural) enterrada:

\[R_T = 0{,}366\,\frac{\rho}{l}\log\left(\frac{3l}{a}\right) \tag{3.9}\]

onde \(l\) (m) é o comprimento da viga enterrada no solo e \(a\) (m) é o diâmetro do círculo circunscrito à sua seção transversal.

• Estruturas metálicas de galpões e subestações podem funcionar como eletrodo de aterramento adicional; revestimento de concreto úmido em contato com o solo ajuda a reduzir \(R_T\).

Fig. 16: No eletrodo B, situado na área de influência do eletrodo A, aparece uma tensão devida à corrente que se dispersa por A.

Fig. 17: Características do solo não-homogêneo e independência de eletrodos.

Componentes de Eqüipotencialização

• Condutor de Aterramento: Liga o BEP (Barramento de Eqüipotencialização Principal) ao eletrodo.
• Condutores de Eqüipotencialidade: Ligam canalizações metálicas de água, gás, etc. ao BEP.
• Descida de Pára-Raios: Ligados diretamente aos eletrodos de aterramento.
• Condutores de Proteção (PE): Ligados diretamente ao BEP.

Fig. 18: Distância mínima de separação entre sistemas de aterramento.

Fig. 19: Barramento de eqüipotencialização principal.

Esquemas de Aterramento e Condutores

• Aterramento de Proteção: Limitar potencial entre massas e proporcionar retorno de baixa impedância.
• Aterramento Funcional: Definição/estabilização de tensão, limitação de sobretensões, retorno de corrente de curto-circuito. (Diretamente aterrados, por impedância, ou não aterrados).

Fig. 20: Condutor de proteção principal.

Esquemas TT, TN e IT

Fig. 21: Esquema TT.

• \(R_F\): resistência de aterramento da fonte (transformador). \(R_M\): resistência de aterramento da massa do equipamento.
• O percurso da corrente de falta fase-massa inclui a terra; a impedância desse percurso limita a corrente de curto-circuito:

\[I_{cc} = \frac{U_{FN}}{R_M + R_F} \tag{3.10}\]

• Se o aterramento (de \(R_F\) e/ou \(R_M\)) não for de boa qualidade, a proteção pode não atuar ou demorar a atuar — risco à segurança.
• Uso típico: fonte de alimentação e carga muito distantes entre si.

Fig. 22: Esquema TN.

• No esquema TN, o percurso da falta fase-massa é por elementos metálicos ⇒ baixa impedância e alta corrente de curto-circuito, sensibilizando fortemente a proteção — independente do valor de \(R_F\).
• TN-S: neutro (N) e proteção (PE) são condutores distintos. Na operação normal, o PE fica sempre praticamente no potencial da fonte (tensão ≈ 0) — esquema preferencial.
• TN-C: um único condutor combina neutro e proteção (PEN). Junto à carga, o PEN não fica em zero (quedas por correntes de carga, harmônicas e desequilíbrio) — surge diferença de potencial mão/pé no operador. Risco adicional: o rompimento do PEN energiza instantaneamente a massa.

Fig. 23: Esquema IT.

• Nenhum ponto da alimentação é diretamente aterrado — isolado da terra ou aterrado por impedância \(Z\) elevada. As massas têm eletrodo de aterramento próprio.
• Uma primeira falta fase-massa não gera, em geral, corrente suficiente para sensibilizar a proteção — mas pode ser perigosa via capacitância da linha (alimentadores longos) e eventual impedância \(Z\).
• Só a dupla falta fase-massa (em fases distintas) produz corrente de curto-circuito capaz de fazer a proteção atuar.

• Por que o esquema IT é tão usado na indústria: \(Z\) é uma reatância projetada para limitar a \(I_{cc}\) da primeira falta a um valor pequeno (ex.: 5 A) — sinaliza a falta sem desligar o circuito.
• A equipe de manutenção é acionada, mas não precisa corrigir a falha imediatamente.
• A produção do setor continua normalmente; o reparo é programado para um horário mais adequado — continuidade operacional é a grande vantagem do IT em processos industriais críticos.

Isolações e graus de proteção

Tipos de Isolação

• Isolação básica: aplicada às partes vivas para assegurar o mínimo de proteção contra choques elétricos.
• Isolação suplementar: isolação adicional e independente da básica, para proteger em caso de falha desta.
• Isolação dupla: isolação básica + isolação suplementar.
• Isolação reforçada: isolação única (não necessariamente homogênea) com propriedades elétricas equivalentes às de uma isolação dupla.

• Uma falha de isolação cria um “caminho condutor” (superficial ou por perfuração), gerando fuga de corrente que pode evoluir para curto-circuito.
• Com isolação dupla, a falha de uma delas ainda deixa a outra protegendo o equipamento.

Classes de Equipamentos (IEC 61140)

Classificação dos equipamentos elétricos quanto à proteção contra choques (tensões até 400 V entre fases):

• Classe 0: proteção só pela isolação básica; sem terminal de aterramento das massas. Em falha, a proteção depende só do ambiente. Ex.: eletrodomésticos portáteis.
• Classe 0I: isolação básica em todas as partes vivas + terminal de aterramento das massas, mas o cabo/plugue não tem condutor/pino de proteção.
• Classe I: isolação básica + condutor de proteção (PE) conectado diretamente às massas — é a base da proteção de motores, painéis e quadros industriais aterrados via PE.
• Classe II: isolação dupla ou reforçada em todas as partes vivas, sem depender de aterramento — típica de ferramentas elétricas portáteis com carcaça isolante ou metálica isolada internamente.
• Classe III: proteção pela própria alimentação em extrabaixa tensão (não podem surgir tensões mais elevadas).

• Quando um equipamento combina partes de classes diferentes, prevalece, para efeito de proteção, a de menor classe.

Correntes de Fuga Admissíveis (Tabela 3.8)

Valores máximos típicos (resumo — IEC 60335):

Equipamento	Corrente de fuga máxima
Classes 0, 0I e III	0,5 mA
Portátil classe I	0,75 mA
Estacionário classe I	0,75 mA (ou 0,75 mA/kW, máx. 5 mA)
Classe II	0,25 mA

• Note a coerência com as classes: equipamentos que dependem só da isolação (classes 0/0I/III) ou que já têm isolação dupla (classe II) toleram fuga menor; equipamentos classe I, protegidos pelo PE, toleram fuga um pouco maior.

Graus de Proteção IP (Tabelas 3.9 e 3.10)

• Definidos pela NBR IEC 60529: código IP + 2 algarismos — 1º indica proteção contra corpos sólidos/contatos acidentais; 2º, contra líquidos.
• Resumo dos graus mais usados em ambiente industrial:

Grau IP	1º algarismo (sólidos)	2º algarismo (líquidos)
IP54	5 — protegido contra poeira (penetração não evitada totalmente, mas sem prejuízo ao funcionamento)	4 — protegido contra respingos de qualquer direção
IP65	6 — totalmente protegido contra poeira	5 — protegido contra jatos de água
IP66	6 — totalmente protegido contra poeira	6 — protegido contra jatos de água potentes (condições de convés de navio)

• Aplicação típica industrial: IP54 em painéis internos com poeira leve; IP65/IP66 em quadros e motores expostos a lavagem, jateamento ou áreas externas.

Proteção básica (contra contatos diretos)

Métodos

• Proteção Completa: Necessária para pessoas comuns (BA1), crianças (BA2), etc.
• Isolação Básica das Partes Vivas: Recobrimento total que só pode ser removido com destruição.
• Barreiras ou Invólucros: Impedir qualquer contato com partes vivas.
• Proteção Parcial: Só admitida para pessoas advertidas (BA4) ou qualificadas (BA5).
• Obstáculos: Impedir aproximação física não intencional.
• Colocação Fora de Alcance: Impedir contatos fortuitos.
• Proteção Adicional: Uso de DR com corrente <= 30 mA.
• Omissão da proteção contra contatos diretos: Permitida em locais acessíveis apenas a pessoas advertidas (BA4) ou qualificadas (BA5).

Zona de Alcance Normal

• Usada na proteção parcial por colocação fora de alcance: partes simultaneamente acessíveis sob potenciais diferentes não podem estar a uma distância de até 2,50 m entre si (nem na vertical, a partir da superfície onde as pessoas circulam).
• Se a superfície de circulação for limitada por obstáculo com grau de proteção inferior a IP2X (ex.: corrimão, tela), a zona de alcance normal é contada a partir desse obstáculo.
• Os afastamentos consideram apenas o toque direto com as mãos — devem ser aumentados se houver risco de contato por objetos condutivos compridos (ferramentas, escadas).

Fig. 24: Zona de alcance normal.

Distâncias Mínimas em Passagens de Serviço (Tabela 3.11)

Resumo — relevante para corredores de painéis, salas elétricas e subestações:

Situação	Com proteção (obstáculos)	Sem proteção
Entre obstáculos / manípulos / parede	0,7 m	—
Altura de passagem sob tela ou painel	2,0 m	—
Altura das partes vivas acima do solo	—	2,3 m
Passagem entre partes vivas (só manutenção, com barreiras)	—	1,0 m
Passagem entre partes vivas (operação e manutenção, sem barreiras)	—	1,5 m

Fig. 25: Passagens destinadas à operação e manutenção em locais com proteção parcial por meio de obstáculos.

Referências

COTRIM, Ademaro A. M. B. Instalações Elétricas. 5ª Edição. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009.

Exercícios

Exercícios 1

Quais são os principais efeitos que uma corrente elétrica externa pode produzir no corpo humano?

Tetanização, parada respiratória, queimaduras e fibrilação ventricular.

Exercícios 2

Defina o que é o conceito “limite de largar” de uma corrente elétrica.

É o valor máximo de corrente que uma pessoa suporta e ainda consegue soltar o condutor, usando os músculos voluntariamente estimulados.

Exercícios 3

Quais são os valores médios do “limite de largar” em CA para 50 e 60 Hz para homens e mulheres?

Cerca de 10 mA para mulheres (faixa 6 a 14 mA) e 16 mA para homens (faixa 9 a 23 mA).

Exercícios 4

O que é o fenômeno da fibrilação ventricular?

É o fenômeno fisiológico mais grave, onde as fibras do coração passam a contrair-se de forma caótica e desordenada, interrompendo a circulação sanguínea e levando a pressão arterial a zero.

Exercícios 5

Quais são as principais variáveis que influem no valor da resistência elétrica do corpo humano?

Estado da pele (umidade, calos, cortes), local do contato (trajeto da corrente), área e pressão de contato, duração do contato, natureza da corrente, tensão do choque, e fatores orgânicos como taxa de álcool ou cansaço.

Exercícios 6

Como se definem proteção básica e proteção supletiva?

Proteção básica atua contra contatos diretos (ex: isolação e barreiras). Proteção supletiva atua contra contatos indiretos, no caso de falha da proteção básica (ex: seccionamento automático e equipotencialização).

Exercícios 7

O que são proteção passiva e proteção ativa contra choques elétricos?

Proteção passiva limita a corrente ou impede o acesso sem interromper o circuito. Proteção ativa utiliza dispositivos que seccionam (abrem) o circuito automaticamente em caso de falta.

Exercícios 8

Quais as condições de influências externas devem ser observadas na seleção das medidas de proteção contra choques elétricos?

Competência das pessoas (BA), resistência elétrica do corpo (BB) e contato das pessoas com o potencial da terra (BC).

Exercícios 9

Qual é a diferença entre aterramento e eqüipotencialização?

Aterramento é a ligação elétrica intencional ao solo (terra). Eqüipotencialização é a ligação elétrica de massas e elementos condutores entre si para deixá-los no mesmo potencial, que pode ou não ser o da terra.

Exercícios 10

Que valores podem ter as duas letras utilizadas na simbologia dos esquemas básicos de aterramento?

Primeira letra (Alimentação em relação à terra): T (diretamente aterrado) ou I (isolado/impedância). Segunda letra (Massas): T (aterradas independentemente) ou N (ligadas ao aterramento da fonte).

Obrigado!

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