Solução para Carregamento de VEs (Veículos Elétricos) em Garagens Residenciais

Veículos Elétricos (VEs) possuem baterias recarregáveis ​​que fornecem energia para impulsionar o veículo. Quando você dirige, o carro consome eletricidade armazenada na bateria. A Estação de Carregamento de VE ajuda a abastecer a sua bateria com energia elétrica, assim como é necessário o abastecimento do tanque do seu carro atual com combustível.

Apesar de alguns novos VEs já virem de fábrica acompanhados de um sistema de carregamento de nível 1 (denominado Trickle Charger Cable), que pode ser utilizado a partir de uma tomada doméstica simples (110V/127V), uma Estação de Carregamento nível 2 recarrega o seu VE muito mais rapidamente e, pode também ser instalada para uso doméstico.

Estação de Carregamento de VE Residencial - Conceito DIY com base em SAE J1772

Através da instalação de uma Estação de Carregamento de VE Residencial (para carregamento de VEs em casa), obtém-se os benefícios de uso doméstico de um equipamento especificamente concebido para suportar várias horas de utilização numa base diária, além de uma solução de carregamento para VEs confiável, segura e flexível, e com um consumo de energia otimizado.

Conforme avaliado em postagem anterior, o consumo Consumo Mensal de Energia Elétrica de um VE Médio Típico é e 154 kW.h/mês, para quem rodar 1000 km/mês, ou de 277 kW.h/mês para quem roda 1800 km/mês, com Custo de Consumo de Energia Elétrica de aproximadamente R$ 53,00 e R$ 102,00 mensais, respectivamente, para São Paulo, Capital, já considerando, inclusive, o CIP – Contribuição Iluminação Pública (do município) e Seguro Proteção Premiada (da Eletropaulo).

No contexto de uma Instalação Elétrica Residencial, a Estação de Carregamento de VE Residencial consiste em um pequeno Painel Elétrico Dedicado, contento um Relé Contator Principal e a Eletrônica de Controle de Carregamento, robustos e de alto desempenho, um equipamento que deve evitar qualquer risco para pessoas e animais relacionado a eletricidade, fácil de usar como meio de recarregar o seu VE em casa e que deve ser instalado por um profissional.

Para recarregar o veículo em perfeita segurança, a instalação deve cumprir com os padrões mais recentes (Norma ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008(1)), para evitar que o usuário incorra em qualquer risco de eletrocussão, devendo incluir proteção contra corrente residual, aterramento e protetor contra surtos  em áreas expostas. Instalar uma estação de carregamento projetado especificamente para este tipo de uso é recomendado.

A instalação elétrica em que Estação de Carregamento de VE Residencial está inserida, deve estar toda corretamente dimensionada para ser capaz de suportar carregamento diário, sem interferir com o funcionamento adequado e outros equipamentos elétricos da residência, ou oferecer qualquer outro risco. O instalador pode informar o cliente se a assinatura elétrica da residência atende ao requisito de carga, e, se necessário, aconselhar o cliente em uma solução de compromisso de carga.

A Potência de uma Estação de Carregamento:

Porquanto todas as Estações de Carregamento Nivel 2 são especificadas para operarem alimentadas a partir de Redes Elétricas CA com valores de Tensão fixos, de 220V/240V, aquilo que pode variar em função de diferentes valores de Potência destas estações é a Capacidade de Fornecer Corrente de cada uma delas. Como consequência, quanto maior for essa capacidade da estação de carregamento em fornecer corrente, mais rapidamente se dará o carregamento de uma bateria, coisa mui desejável pelos usuários de VEs, em geral.

SAE - BRASIL

Debaixo da recomendação SAE J1772, temos encontrado, na prática, tanto no comércio, quanto em projetos DIY, Estações de Carregamento com capacidades que variam desde 15A (15 Ampères) até 75A (de fato, o limite admitido na recomendação SAE é de 80A).

Com uma capacidade de 80A (máximo absoluto teórico normatizado pela SAE J-1772), teríamos uma Estação de Carregamento cuja Potência seria 17,6 kV.A. Dada a  natureza da operação ser de elevado Fator Potência, tal qual tipicamente operação de carga resistiva, podemos falar, também, em 17,6 kW. No entanto, essa potência pode ser considera muito elevada para ser agregada a Potência Instalada de uma Instalação Elétrica Residencial, principalmente quando a instalação elétrica da residência (e o ramal de entrada, da concessionária de energia), já são pré-existentes.

Mesmo o estado norte-americano da Califórnia, região mundialmente tradicional no pioneirismo ao suporte e disseminação de VEs e do carregamento doméstico, através de sua regulamentação local, limitou abaixo disso, permitindo as Estações de Carregamento uma Capacidade de Fornecer Corrente de apenas 60A (ligada em 240V, significa 14,4 kW de máxima potência). Todavia, para o Brasil, pelo menos para os próximos 5 ou 7 anos, eu recomendo olharmos para um limite ainda menor, abaixo de 10 kW, pensando numa corrente máxima de uns 45 A (bastante razoável para uma aplicação que é doméstica).

A Potência Nominal mínima recomendada para Estação de Carregamento de VE Residencial é de 3.3 kW, porém o ideal é que ela possa chegar a 6.6 kW, para maior facilidade de carregamento, provendo tempos de carregamentos mais adequados. Em casos extremos especiais, pode-se chegar a até 9.9 kW e, em todos os casos, operando em Tensão da Rede Elétrica de 220V (bifásico a três condutores: fase + fase + PE (aterramento)).

Uma Estação de Carregamento de VE Residencial especializada (Nível 2) significa maior velocidade de carregamento e conforto do que aquele provido pelos Trickle Charger Cable que acompanham os VEs, com o carregamento podendo ser, em media, três vezes mais rápido que com uma tomada doméstica comum.

Ao aumentar o nível de potência para 6.6 kW.h, por exemplo, é possível carregar completamente a bateria de um VE Médio Típico (com bateria de 24 kW.h) em cerca de 3 horas e 1/2, e ainda assim estará operando em carga lenta, que é aquela que garante a maximização de vida útil da a bateria.

Opções permitem reduzir o consumo de energia para uma carga mais ecologicamente correta:

• Manutenção de um limite para a potência na operação de carregamento, para evitar exceder a potência contratada com o fornecedor de energia;

• Carregamento programado para iniciar quando a eletricidade é mais barata e não horários de pico de consumo.

Instalação de uma Estação de Carregamento de VE Nível 2:

Segundo a norma ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008, no contexto das instalações elétricas residenciais todo ponto de utilização, ponto de previsto para alimentar, de modo exclusivo ou virtualmente dedicado, equipamento com corrente nominal superior a 10 A deve constituir um circuito independente e, análogos aos pontos de tomada de cozinhas, copas, copas-cozinhas, áreas de serviço, lavanderias, o ponto de utilização de uma Estação de Carregamento Doméstica deve ser atendido por um circuito exclusivamente destinado à alimentação de tomadas desses locais.

Esquemas para instalação de uma Estação de Carregamento de VE na Instalação Elétrica Residencial

O pequeno Painel Dedicado, no qual consiste uma Estação de Carregamento Doméstica, pode ser montado na parede da garagem e conectada ao sistema elétrico de sua casa, e tal qual a conexão dos aquecedores elétrico de água, a conexão ao ponto de utilização deve ser direta, sem uso de tomada de corrente, diretamente ligado, seja ao Quadro de Distribuição de Circuitos pré existente, ou seja via um pequeno novo painel exclusivo (de comando, manobra e proteção, no mínimo IP4X), este derivado diretamente da Caixa Padrão de Entrada da residência.

Interruptores DR da WEG

Em ambos os casos, deve se fazer uso de Proteção Elétrica por Aterramento e por Interruptor DR. Para uma Estação de Carregamento Domésticas o aterramento é fundamental não apenas por causa da proteção e segurança contra choques elétricos mas, também, por motivos funcionais. Sem a presença do condutor de aterramento adequado em toda a extensão do circuito, uma Estação de Carregamento Doméstica sequer poderá executar a sua operação de carregamento, pois não poderá reconhecer a conexão com um VE e, consequentemente, não liberará energia em sua saída.

O Interruptor Diferencial Residual (Interruptor DR)(2) tem como função principal proteger as pessoas ou o patrimônio, protegendo as pessoas e instalações quanto a contatos diretos ou indiretos, pois protegem contra os efeitos de correntes de fuga para o terra, da ordem poucas dezenas miliamperes, que possam existir em circuitos elétricos:

• Evitando choques elétricos (proteção às pessoas);

• Evitando Incêndios devido a descargas por defeitos de isolamento (proteção ao patrimônio).

Todavia, como apenas o interruptor DR não protege contra sobrecargas e curto-circuitos. Para estas proteções, devem-se utilizar, também, o Disjuntor em associação. Note que, também o Interruptor DR é um dispositivo que só pode ser aplicado onde exista a presença do condutor de proteção PE (ou, num pior caso, condutor PEN)(3). Sem ele, o DR sequer poderá funcionar, mesmo que o condutor PE não seja diretamente conectado a ele, PE é necessário(4).

Você conecta o conector macho do cabo da estação para o conetor fêmea do portal de carregamento do seu VE, quando você estacionar e for deixar o veículo em período de repouso, e desconecta-o somente quando estiver pronto para dirigir. Devido às proteções inerente ao próprio veículo, não existe o risco de se dar a partida no VE, esquecendo-se de desconectar o cabo de carregamento.

Placas fotovoltaicas(5) de captação e aproveitamento da luz solar
instaladas no telhado da residência

As Estações de Carregamento Domésticas também podem combinar o emprego do aproveitamento da Energia Solar, de um modo seguro e fácil de usar, sem comandos complicados, basta conectar e carregar. O funcionamento desse subsistema pode ser totalmente transparente à operação de carregamento.

Usando a Energia Solar, ela é pré-armazenada durante o dia, enquanto o carregamento pode continuar sendo feito a noite. Por se realizar uma configuração simples no painel do próprio VE, pode-se deixá-lo conectado desde a tarde e ele irá começar admitir carga, somente bem tarde da noite, quando a demanda sobre o Sistema Público Interligado é baixa. Opcionalmente, de modo redundante, isso pode ser configurado, também na estação.

Em geral, as Estações de Carregamento Domésticas básicas apresentam um painel interativo simples, que mostra um sinalizador luminoso colorido quando carregamento do veículo está em processo, e outra quando a carga está completa. Numa versão avançada ele pode ter um mostrador colorido que apresenta as mesmas sinalizações e funções extra, como informar o limite e corrente elétrica e a corrente elétrica efetivamente consumida, além de novos botões para uma operação avançada.

As Estações de Carregamento Domésticas podem ser projetadas, ainda, para interagir em aplicações  utilitárias de rede inteligentes, permitindo a comunicação com a estação remota de alimentação, para gerenciar a carga, preços e outras variáveis. Todavia, essa função ainda não está disponível no Brasil para consumidores residenciais.

Características das Estações de Carregamento Domésticas:

E altamente recomendável que as Estações de Carregamento Domésticas sejam montadas em Gabinetes construídos para o uso interno ou externo, fornecendo um Grau de Proteção para Invólucros de Equipamentos Elétricos IP 65 (NBR 6146, DIN 40050, IEC 529 e ABNT NBR IEC 60529:2005 versão corrigida 2011).

• ao pessoal, contra o acesso e completa contra contato a partes perigosas internas ao invólucro;
• do equipamento contido no interior do invólucro, contra a entrada de objetos sólidos estranhos (totalmente protegido contra queda e sujeira e poeira trazida pelo vento);
• no que diz respeito aos efeitos nocivos sobre o equipamento que não devem ser danificados devido à entrada de água até por meio de jato d'água dirigido (ou ainda chuva, granizo e neve).

Um designe de gabinete de visual esteticamente bonito pode ser interessante do ponto de vista comercial, todavia, as proteções são fundamentais.

Um gabinete após ser furado e rasgado para passar os cabos e alojar botões, sinalizadores e mostradores deve manter o grau de proteção e os componentes adotados, portanto, devem o mesmo grau.

Há quatro principais dispositivos de segurança incorporados as Estações de Carregamento (EVSE) inteligentes "Smart" que as tornam "a prova de idiotas", permitindo uma operação segura. Estes dispositivos são:

• Intertravamento de conexão;
• Dispositivo de Interrupção do Circuito de Carregamento;
• Dispositivos de Monitoramento para Denergização automática, e;
• Intertravamento de Ventilação.

Enquanto cada dispositivo tem uma função específica, eles trabalham em conjunto como um sistema para fornecer um evento de carregamento seguro e eficiente.

Dispositivo de Interrupção do Circuito de Carga: dentro da estação existe uma proteção adicional  àquela provida pelo Interruptor DR, que também detecta falha por fuga de corrente à terra causando desligamento da saída totalmente automático.

Serviço Monitor do Aterramento: Constantemente verifica a presença do condutor de aterramento de segurança adequada. Faltando o condutor de aterramento, a saída também é desligada, automaticamente.

Se, ao tentar iniciar o carregamento, faltar uma das fases na saída ou se ela vier a faltar durante o carregamento, a saída é, igualmente, totalmente desligada.

Se antes mesmo de se conectar um VE, houver, de antemão, uma ou ambas as fases presentes na saída, uma condições anômala que pode ocorrer por um defeito do relé principal entrar em curto, a estação de carregamento entra em alerta de falha e não permitirá o carregamento, sequer detectando a presença do VE, caso seja conectado a ela.

Religamento: software inteligente que automaticamente autoverifica o sistema e reinicia o carregamento após uma queda de energia na rede elétrica, para completar a carga, bastando que o VE permaneça conectado a ela(6);

Realiza integralmente todo o protocolo da função “PILOTO”, que é a função pertinente ao protocolo SAE J1772. A especificação técnica desta função foi descrita inicialmente na versão de 2001 da SAE J1772 e, posteriormente, na IEC 61851 que estabelece a sequência de detecção de conexão entre o Veículo  (PEV - Plug-in Electric Vehicle) e a Estação de Carregamento (EVSE - Electric Vehicle Supply Equipment ou Equipamentos de Abastecimento Veículo Elétrico).

A sequência de detecção de conexão entre o PEV e a EVSE é realizada, automaticamente, com o estabelecimento da conexão física do conector do cabo de energia/controle da EVSE ao PEV, o Conector SAE J1772.

O Conector J1772 Macho possui um sensor do tipo micro-chave, embutido em seu corpo (ver "PROX. DET" no diagrama elétrico da EVSE completa apresentado anteriormente), que atua quando este conector, que se encontra na extremidade final do cabo de energia / controle da EVSE, é manualmente engatado ao Portal de Carregamento do PEV (Conector J1772 Fêmea ou Conector J1772 Combo Fêmea).

O Protocolo SAE J1772 permite descartar a eventual necessidade de eletrônica de circuitos integrados mais complexos e caros, que seriam necessários para outros protocolos de carga, como o CAN Bus, usado com os carregadores CHAdeMO ou EnergyBus.

O SAE J1772 é considerado robusto o suficiente para operação numa gama de temperatura de -40°C até +85°C, e se tornou (praticamente) o padrão mundial em EVSEs domésticas e, obviamente, nos PEVs, que possuem, ou dois conectores (J1772 + ChaDeMo), ou um único conector COMBO (que engloba, em si, o J1772, para carregamento em CA e pinos extra, para carregamentos CC).

Por isso, notadamente estações de carregamento de uso doméstico (carregamento CA), com corrente de carregamento ≤ 80 Ampères (carregamento lento para vida longa da bateria), todas (exceto, parcialmente, casos particulares da Europa) empregam, atualmente, conectores J1772.

O protocolo de sinalização J1772 foi concebido para que as funções de monitoramento e controle sejam realizadas em sequência, que começa com o veiculo detectando, automaticamente, a sua conexão com uma estação de carregamento, quando o usuário conecta o cabo.

A sequência de sinalização na comunicação entre o VE e a estação de carregamento Nível 2, e os eventos a ela associados, são para garantir a segurança do usuário e do equipamento envolvido, ao longo de toda a operação de carregamento.

Em cada etapa ela  verifica se há "nenhuma chance" de prejuízo da segurança para o usuário ou para o equipamento, ANTES de ligar o relé de estado solido que libera a corrente principal para o carregamento.

Já, durante a etapa da operação de carregamento, quando a corrente principal do carregamento se torna ativa, o mesmo protocolo serve, também, para manter o Carregador Embarcado no VE condicionado ao limite da corrente máxima que pode ser oferecido pela estação de carregamento.

Enquanto o cabo ainda estiver desconectado, o sinal de controle "PILOTO", no lado da estação de carregamento, apresenta um valor de tensão de 12V. Isso permite que a estação saiba que ela está desconectada, enquanto que, no lado do VE, um nível lógico alto presente no sinal "PROX DET" é o que significa que ele também está desconectado.

As Funções de Controle "PILOTO" começam por se conectar o cabo corretamente e, então, dois eventos ocorrem, praticamente simultaneamente, seguidos por uma serie de outros eventos que são consequentes:

• O  VE detecta que o cabo da estação de carregamento está conectado (pela ação da micro chave "PROX DET", que se encontra embutida no conector do cabo). A micro chave deve fechar apenas se o cabo estiver firmemente conectado. Assim o sinal "PROX DET" muda de estado, indo para um nível lógico baixo e, com isso, o VE entra no "Modo de Ignição Bloqueada", de modo que ele não poderá mais se mover;

• Como a Estação de Carregamento pode, agora, enviar a sua tensão de 12V via o sinal de controle "PILOTO" para lado do VE, isso indicaria que ela está em um "estado de prontidão". No entanto, imediatamente, devido ao divisor de tensão resistivo que se forma em virtude da conexão fechada com o VE, a tensão presente no sinal de controle "PILOTO" é modificada, fazendo com que a tensão caia de 12V para 9V. Isso é necessário e suficiente para que a Estação de Carregamento detecte a presença do VE;

Dai em diante, o sistema ficará no aguardo de uma decisão da parte do VE, que poderá solicitar ou não, o início efetivo do carregamento (o carregamento estará em modo de espera) e poderá permanecer neste estado indefinidamente.

Se o controlador do carregador embarcado do VE estiver previamente configurado para seguir um cronograma de horários, de um modo que faça com que ele aguarde antes solicitar o início do carregamento, então o carregamento poderá ser realizado em um momento do dia mais propício, objetivando o menor custo da energia e, também, para não sobrecarregar a fiação elétrica da residência e todo o sistema elétrico interligado.

Quando o VE decide solicitar o inicio do carregamento, ele comuta o relé K1, o que faz alterar a resistência existente entre a linha do sinal de controle "PILOTO" e a referência (TERRA ou GND) (vide diagrama equivalente apresentado anteriormente).

Como existe alguns tipos de bateria de VE antigas que requerem ventilação do ambiente por liberarem gases, a Solicitação de Carregamento pode ser feita em duas diferentes modalidades: Com Ventilação do Ambiente Requerida (o resistor R3 no VE é de 270 Ω) e Sem Ventilação do Ambiente (resistor R3 no VE é de 2,74 kΩ). Assim:

• O Carregamento é solicitado e, conjuntamente, o Requisito de Ventilação é determinado pelo VE, com o VE rebaixando a tensão na linha PILOTO de 9V para 6V (carregamento sem ventilação) ou de 9V para 3V (carregamento com ventilação);

• A informação a cerca da Máxima Corrente que poderá ser disponíbilizada a partir da Estação de Carregamento durante o carregamento é fornecida para o VE, com a Estação de Carregamento enviado um sinal PWM de 1kHz pela linha PILOTO. Isso é feito pela comutação do relé K2;

• Não havendo nenhuma condição de falha presente, a estação de carregamento liga o relé principal, liberando a corrente de carregamento, e irá mantê-lo ligado, indefinidamente.

A Estação de Carregamento desligará, imediatamente, o relé principal, somente no caso em que ela se encontre em alguma das duas condições de falha:

1. Fuga da corrente de carregamento para a terra;
2. Falta de uma ou de ambas as fases na Saída (ou do GND, aterramento PE);

Assim, o carregador embarcado do VE assume o comando do fluxo de energia do carregamento que, enfim, se estabelece. Note que, com o sinal de PWM de 1kHz, a estação de carregamento determina apenas o limite para a Corrente Máxima, mas quem, efetivamente, comandará a demanda de corrente (dentro daquele limite) durante a operação de carregamento é o Carregador Embarcado do VE.

Durante todo o tempo da operação de carregamento, tanto o VE quanto o Equipamento de Abastecimento estarão, ambos, monitorando a continuidade do condutor de aterramento de segurança (GND);

A Operação de Carregamento pode ser interrompida, a qualquer tempo, por, simplesmente, desconectar o Plugue do veículo. Também é interrompida se ocorrer uma condição falha, a qualquer tempo, ou, obviamente, se houver queda da rede de energia elétrica local.

Como os VEs são obrigados a ter um bloqueio que desativa a ignição, enquanto um VE permanecer conectado a uma estação de carregamento, o motor dele não poderá ser ligado, enquanto que, o freio de estacionamento do VE, permanece automaticamente acionado, bloqueando as rodas do carro, impedindo a sua locomoção.

Para segurança da operação, se acontecer alguma coisa para interromper a conexão, como um usuário liberando a trava do conector, por exemplo, o potencial de energia presente nos terminais elétricos do conector do cabo da estação é cortado imediatamente, pelo imediato desligamento do relé principal, ambos os lados da rede elétrica CA são removidos.

A interação entre a estação e o operador humano, é feita com o emprego de sinalizadores luminosos individuais (LEDS ou LED RGB Pronto / Conectado / Carregando e Falha) ou e um LCD Multicolorido (RGB), que apresenta 2 linhas x 16 caracteres, que mostra o Valor da Corrente Nominal da Estação, que é a corrente máxima que o VE está autorizado a extrair, que depende da capacidade do relé contator principal da estação e do dimensionamento de toda a instalação elétrica por onde a estação se alimenta.

A mudança da cor do fundo do LCD é usada para produzir sinalização luminosa dos estado e alertas, pertinentes a operação da EVSE, quanto ao protocolo SAE J1772, dispensando o emprego de múltiplos LEDs ou de um LED RGB extra. Botões de partida / parada, sequer são necessários, obrigatoriamente.

Serviço Entrada: 208V a 240V e Saída para o Carregamento: 30A ou 45A, bifásica a três fios: Fase + Fase + PE

O equipamento deve ser testado sob rigorosas normas automotivas e é adequado tanto para uso interior ou quanto exterior, estando alojada em uma caixa plástica ou de alumínio resistente, com revestimento por pintura em pó e acabamento para durabilidade e longa vida. A estação de carga pode ser montado na parede ou pode ser configurado com um suporte autoportante.

Outras características opcionais são:

Medição da Corrente Elétrica efetivamente entregue durante o carregamento.

Entrada de Controle Externo que permite o controle externo por Medidores Inteligentes de faturamento, ou dispositivo de gestão de carga.

Tempo de atraso para permitir a re-energizar a estação após uma eventual queda de energia na rede.

Notas:

(1)  Em março/2012 aconteceu uma reunião em São Paulo para reativação da comissão de estudos da ABNT denominada CE 03.64:01, que é a responsável pela revisão do texto daquela norma. A meta seria publicar a nova edição do documento até o final de 2012, mas, em condições normais, seria bastante realista imaginar que tal tarefa leve cerca de dois a três anos para ser concluída, até por que os trapalhos tendem a ser sucessivamente atropelados por algumas mudanças ocorrendo no mundo, entre elas, eu suponho, esteja a questão do carregamento doméstico de VEs. Até a presente data, continua valendo a ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida : 2008.

(2) O Interruptor DR mede permanentemente a soma vetorial das correntes que percorrem os condutores de um circuito. Se o circuito elétrico estiver funcionando sem problemas, a soma vetorial das correntes nos seus condutores é praticamente nula. Ocorrendo falha de isolamento em um equipamento alimentado por esse circuito, irromperá uma corrente de falta à terra. Quando isto ocorre, a soma vetorial das correntes nos condutores monitorados pelo DR não é mais nula e o dispositivo detecta justamente essa diferença de corrente. Da mesma forma, se alguma pessoa vier a tocar uma parte viva do circuito protegido, a corrente irá circular pelo corpo da pessoa, provocando igualmente um desequilíbrio na soma vetorial das correntes. Este desequilíbrio será também detectado pelo DR tal como se fosse uma corrente de falta à terra.

(3) Condutor PEN, referido na norma brasileira de eletricidade ABNT NBR 5410, é um acrônimo o inglês "Protective Earth and Neutral" e significa que não há distinção física entre os condutores de Neutro (N) e de Aterramento (PE, Protective Earth), ou seja, eles são, de fato, um único e mesmo condutor (sistema TN-C). No entanto, a situação tecnicamente ideal é que os condutores de Neutro (N) e de Aterramento (PE, Protective Earth) sejam, fisicamente, independentes (sistema T-S), conforme o diagrama a seguir (onde A, B e C são fases, sugerindo um sistema trifásico).

Este tem sido o padrão internacionalmente recomendado para melhor proteção e segurança, buscado como prática, principalmente nos países mais desenvolvidos mas, infelizmente, ainda está longe da realidade brasileira. Entretanto, mesmo em países desenvolvidos, onde a infraestrutura do sistema elétrico de distribuição é enorme como, por exemplo, os EUA, os engenheiros são reticentes e não costumam colocar um ponto final, quando tratam desse assunto, pelos altos custos envolvidos. Outrossim, por razões de corte de custos, por usar um condutor a menos, desde o principio, tanto ao nível das redes e distribuição de baixa tensão das empresas concessionárias brasileiras, quanto, conseguintemente, ao nível das instalações elétricas residenciais, adotou-se fazê-los combinados em um único condutor  (sistema TN-C), conforme o diagrama:

A questão sobre o esquema acima é: Onde se encontra instalado o eletrodo que provê o aterramento e o quê ele efetivamente protege? Se não em todos mas, na grande maioria dos casos, como o transformador de distribuição é aterrado apenas do lado primário, o aterramento secundário está apenas no interior das residências. O sistema TN-C requer um ambiente eficaz de equipotencial dentro da instalação elétrica da residência, com eletrodos de terra dispersos, espaçados tão regularmente quanto possível, uma vez que o condutor PEN é tanto o condutor neutro e, ao mesmo tempo que transporta correntes de fase de desequilíbrio, bem como as correntes harmônicas de ordem 3 (e seus múltiplos), muito embora, em geral, em cada residência, apenas uma haste de aterramento seja exigida.

Muito embora muitas residências ainda disponham apenas de antigas pontos de tomada bipolares, no sistema TN-C, a "função de condutor de proteção" deveria ter, sempre, prioridade sobre a "função neutro". Em especial, o condutor PEN deveria ser sempre ligado ao terminal de ligação à terra (massa) das cargas (dos equipamentos elétricos consumidores utilizados nas residências) e uma ligação em ponte ser usada para conectar este terminal para o terminal de neutro.

Além do mais, em redes elétricas TN-C, dispositivos de corrente residual (interruptores DR) são muito menos propensos a detectar um defeito de isolamento, com o agravante, ainda de ser muito vulnerável a disparos indesejados de contato entre os condutores de terra de circuitos em  interruptores DR diferentes com aterramento local. Além disso, os interruptores DR geralmente isolam o centro neutro e, uma vez que é inseguro fazer isso em um sistema TN-C, IDRs em sistemas TN-C devem ser ligados, apenas, para interromper os condutores vivos. A somatória destes motivos acaba por tornar impraticável o uso de IDRs em sistema TN-C.

(4) Buscando minimizar os problemas descritos acima, a Norma ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008 em seu item 5.4.3.6 diz: "Em toda edificação alimentada por linha elétrica em esquema TN-C, o condutor PEN deve ser separado, a partir do ponto de entrada da linha na edificação, ou a partir do quadro de distribuição principal, em condutores distintos para as funções de neutro e de condutor de proteção. A alimentação elétrica, até aí TN-C, passa então a um esquema TN-S (globalmente, o esquema é TN-C-S)." Conforme diagrama a seguir:

Mas isso não resolve plenamente o problema, pois, algo que os sistemas TN-C e TN-C-S têm em comum, qualquer ligação entre o centro combinado neutro-terra e a massa efetiva de terra dos equipamento pode acabar carregando corrente significativa, mesmo em condições normais, e poderia conduzir, mais ainda, em uma situação de neutro partido. Em sistemas monofásicos onde a terra e neutro são combinadas (TN-C, e a parte de TN-C-S sistemas que utiliza um centro combinado neutro e terra), se houver um problema de contato no condutor PEN, então todas as partes do sistema de ligação à terra para além do intervalo do seccionamento, subirá para o potencial do condutor de linha. Semelhantemente, em um sistema de multi-fase desequilibrado, o potencial do segmento de ligação de aterramento seccionado irá avançar no sentido do potencial do condutor vivo mais carregado.

Portanto, os principais condutores de ligação equipotencial devem ser dimensionado com isso em mente e, ainda por tais motivos, o uso de TN-C-S não é aconselhável em situações como postos de gasolina (que poderão vir a ser também postos e abastecimento de VEs), onde há uma combinação de vários recipientes metálicos enterrados e gases explosivos.

(5) Placas fotovoltaicas convertem, diretamente, a energia luminosa em energia elétrica. Os painéis fotovoltaicos são compostos por estruturas chamadas células fotovoltaicas, que têm a propriedade de criar uma diferença de potencial elétrico por ação da luz. O efeito fotovoltaico faz com que essas células absorvam a energia do sol e façam a corrente elétrica fluir entre duas camadas com cargas opostas.

Os materiais mais frequentemente usados para a fabricação destas células são o silício cristalino e o arsenieto de gálio, formando cristais, que são posteriormente cortados em pequenos discos polidos, que são os pequenas circunferências que podemos ver nos painéis. Com a adição de fósforo e condutores metálicos, formam-se as células, que são posteriormente fixadas no painel rígido ou flexível e que recebe uma placa de vidro na face frontal para proteção das células.

Quando as partículas da luz solar (fótons) colidem com os átomos dos materiais da célula, provocam a liberação de elétrons, gerando a corrente elétrica, usada para carregar uma bateria. Cada metro quadrado de coletor pode fornece em torno de 170 Watts.

(6) Se houver queda de energia elétrica da residência, seja durante o carregamento, ou seja durante o Carregamento em Espera, após sanado o problema da queda de energia, a EVSE retornará a condição de Carregamento em Espera, de modo que caberá ao VE decidir se ele deseja receber mais carga ou não.

(7) Riscos de Gás de Hidrogênio em Locais de Carregamento de Baterias:

Hidrogênio e oxigênio podem ser produzidos a partir de uma bateria quando ela está sendo carregada. Com isso, uma fonte de ignição - por exemplo, uma chama, uma faísca, um cigarro ou qualquer objeto quente, material elétrico, um telefone celular - muitas vezes podem causar que as misturas destes gases inflamem e explodam. A explosão é muitas vezes tão violenta que destrói a bateria e produz lançamento de fragmentos altamente perigoso e produtos químicos corrosivos.

Hidrogênio e oxigênio são produzidos mais rapidamente a medida que bateria fica perto de ser totalmente carregada. Se continuar a carregar quando a bateria estiver totalmente carregada, uma grande quantidade de gás será produzido, aumentando o risco de explosão.

Durante o carregamento, as bolhas de gás, muitas vezes tornam-se presos no interior da bateria. A mistura de duas partes de hidrogênio para uma parte de oxigênio produzido é perfeito para uma explosão. Quando uma bateria é ventilada, os gases aprisionados no pacote são libertados para o ar em torno. Uma pequena faísca é tudo o que é necessário para inflamar esses gases. Se isso acontecer em um espaço confinado (por exemplo, dentro da bateria ou em um gabinete ou sala de baterias com pouca ventilação), uma violenta explosão é muito provável de ocorrer.

Os gases que saem de uma bateria de chumbo / ácido ventilada durante a carga, muitas vezes contêm uma fina névoa de ácido sulfúrico. Tome cuidado para evitar inalar esses gases, e use óculos de proteção adequado.

Porque o oxigênio e hidrogênio são liberados durante o reforço de carga ou sobrecarga e o risco resultante, é necessário ser avaliado a operação de carregamento sob os padrões de segurança adequados e, por equipamento de carga fabricados para atender os padrões de requisitos de segurança adequados. Estes são chamados de "carregadores inteligentes", considerados "inteligentes" porque eles se comunicam com o VE, antes e durante o carregamento para detectar quaisquer anomalias que possam afetar a segurança ou o equipamento.

Ventilador típico para operação de carregamento de baterias gaseificadoras

Em EVs comercializados por grandes fabricantes de automóveis, baterias avançadas são usadas (íons de lítio), que não geram gás hidrogênio e podem, seguramente, serem carregadas em um ambiente não ventilado, interior. Baterias que necessitam de ventilação, como as baterias imersas em solução, de chumbo-ácido ou de níquel-ferro baterias, tornaram-se a exceção mas, para evitar criar uma situação em que o gás hidrogênio pode coletar em um espaço fechado, como uma garagem, as normas, em geral, exigem um intertravamento de ventilação.

O intertravamento de ventilação realiza três funções, a fim de atender às exigências necessárias. Em primeiro lugar, ele consulta o veículo para determinar se o veículo necessita de ventilação durante o carregamento. Em segundo lugar, o mesmo determina se a EVES pode fornecer tal ventilação. Finalmente, se a ventilação está disponível, garante que a ventilação opere efetivamente durante o processo de carregamento inteiro.

Três cenários ilustram como o intertravamento de ventilação opera:

1) Se uma estação de carregamento tem o dispositivo de ventilação incluído no sistema, em seguida, o intertravamento permitirá que tanto um veículo usando baterias de gaseificadora, quanto um veículo de bateria não gaseificadora seja carregado.

2) Se uma estação de carregamento está localizada no exterior, onde não há ventilação natural suficiente, o intertravamento pode permitir que qualquer dos dois de veículos sejam carregados.

3) Todavia, se a ventilação não está incluída no sistema, o intertravamento permitirá, apenas, que veículo usando baterias de gaseificadora seja carregado, mas não um veículo gaseamento.

O bloqueio de ventilação deve garantir ao proprietário que os gases hidrogênio, se gerado, não irá se recolher em espaços fechados, independentemente do tipo de bateria ou de veículo. No caso de veículo usando baterias de gaseificadora, a estação de carregamento só libera energia se e enquanto a ventoinha da ventilação esteja operante. Esta garantia é importante no sentido que ela prevê o sucesso de mercado de longo prazo de VEs produzidos comercialmente.

Caso deseje, contate-me para maiores detalhes sobre Equipamento para Carregamento de Veículos Elétricos, consulte me em andrellenz@hotmail.com ou me siga no FACEBOOK VEÍCULOS ELÉTRICOS

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Eu poderia desejar dizer que, uma das maiores boas razões para se trocar o sistema de aquecimento de água para chuveiros, de principio de funcionamento elétrico para o de funcionamento a gás, seria por questão da segurança e que os chuveiro elétricos não são tão seguros mas, isso não seria uma verdade.

Tecnicamente falando, por definição de normas, um chuveiro elétrico é um aparelho elétrico de aquecimento instantâneo de água, aberto, instalado em um ponto de utilização cujo sub-ramal hidráulico contém um registro de pressão para controle de vazão.

Ainda segundo as normas, o ponto de tomadas de energia elétrica para instalação de um chuveiro elétrico, é considerado um Ponto de Tomada de Uso Específico (PTUE).

Vale lembrar também, que a instalação da tomada de energia para chuveiros elétrico, em geral, não é a única PTUE em nas residência: torneiras elétrica e secadores de roupas, por exemplo, também o são, de modo que, a quantidade de PTUEs deve ser determinada de modo planejado, de acordo com o número de aparelhos de utilização que poderão estar fixos em uma dada posição no ambiente.

A ligação destes aparelhos deve ser realizada de modo direto, sem a utilização de tomadas de corrente removíveis, mas podendo ser utilizados conectores fixos adequados e, aos PTUEs, devem ser atribuídas as potências nominais específicas do tipo de aparelho que sera alimentado que, no caso do chuveiro elétrico é recomendado considerar algo entre 4500W e 5600W para o circuito de alimentação exclusivo do chuveiro.

Sem dúvida, nos padrões de consumo residenciais atuais, o chuveiro elétrico ainda é o aparelho de maior consumo de energia e o correto dimensionamento da sua instalação, salvaguarda o imóvel de um risco de acidente que pode resultar em incêndio.

A instalação de circuitos para alimentação de outros aparelhos eletrodomésticos, hoje comum nas residências, tais como os fornos de micro-ondas e máquinas de lavar podem, e devem, devido a sua elevada potência que, em geral, supera 1000W, ser considerados também Pontos de Tomada de Uso Específico, muito embora a indústria tem praticado produzir os mesmos dotados de cabos com plugues para tomadas removíveis.

É importante que uma instalação elétrica seja dividida em circuitos elétricos parciais para facilitar a inspeção e a manutenção, além de reduzir as quedas de tensão e aumentando a segurança pois, assim, a proteção poderá ser melhor dimensionada.

A mesma consideração pode ser feita, ainda como pontos de tomadas específicos para condicionadores de ar e, mais ainda, secadores de cabelo, normalmente ignorado pelos projetistas de instalações elétricas, mas não pelas belas mulheres brasileiras que, costumam ligar tais aparelhos, cuja potência gira em torno de 1800W, por um tempo relativamente longo, inadvertidamente, em qualquer tomada da residência.

A Norma ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008 – “Instalações Elétricas de BaixaTensão”, além de determinar que sejam separados os circuitos elétricos de Tomadas de Uso Geral e o de Iluminação e determina ainda que deverá ser previsto um circuito elétrico, também separado, para cada equipamento elétrico cuja corrente nominal seja superior a 10 A.

A norma NBR 6151 classifica os equipamentos elétricos (eletrodomésticos e eletroprofissionais) quanto à proteção contra choques elétricos, em cinco classes e a tônica desta classificação é, antes de tudo, a de recomendar a possibilidade, ou mesmo exigir a necessidade, de uma proteção complementar, que pode ser obtida pela ligação do terminal de aterramento a um terra adequado.

Assim sendo, para se evitar riscos de acidentes com o chuveiro elétrico, é importante, antes de tudo, que a instalação da alimentação elétrica esteja feita de maneira correta, principalmente com o condutor de aterramento do equipamento devidamente conectado diretamente ao aterramento da residência e que o aterramento elétrico da residência, também esteja correto, desde a partir da entrada de energia, que foi construída segundo o padrão de ligação de energia elétrica de uma dada concessionária de distribuição de energia. Mas o que é um padrão de ligação de energia elétrica?

O padrão de ligação de energia elétrica é composto por poste, caixa para medidor, eletrodutos, cabos condutores, fusíveis e disjuntor. É por meio dele que a energia distribuída pela concessionária chega ao seu imóvel. Sua instalação deve, antes de tudo, ser dimensionada de acordo com a carga consumidora de energia que será utilizada e, para construí-la com a devida segurança, requer a contratação do serviço de um eletricista qualificado, para garantir que o padrão de ligação respeite todas as normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT.

O desenho ao lado representa um modelo de padrão de entrada para ligação de energia elétrica residencial individual simples (bifásico), exigido pela concessionária AES Eletropaulo, que opera na região metropolitana de São Paulo. Neste caso, o eletroduto que pode ser observado na parte inferior da caixa (7) é, justamente, por onde passa(m) o(s) cabo(s) condutor(es) de ATERRAMENTO (9). Note que “parece” que são dois os cabos condutores de aterramento mostrados (cabos com isolação plástica na cor VERDE): um deles terá uma de suas extremidade ligada junto ao condutor NEUTRO de entrada (que deve ter isolação na cor AZUL clara), a outra extremidade deste, segue pelo referido eletroduto até a chegar a Haste de Aterramento (10), ou eletrodo de ateramento, que é de aço cobreado, de ø=16mm x 2,40m de comprimento, e que se encontra verticalmente enterrada, enfiada no solo, dentro da área do terreno do imóvel.

A conexão de contato elétrico entre o condutor de aterramento e a haste, é feito na extremidade superior da haste, que deve estar descoberta, a poucos centímetros acima do solo e isto deve ser acessível de ser feito e vistoriado por meio de uma caixa de inspeção (8). Note que a Eletropaulo exige a instalação de apenas uma única haste de aterramento, deste modo, o segundo cabo condutor verde (de aterramento), se realmente existir, será conectado a esta mesma haste, e retorna, pelo mesmo eletroduto, de volta, para dentro da caixa de ligação de entrada.

O desenho da Eletropaulo não mostra, nem mesmo sugere, para onde segue esse condutor de aterramento. mas esse segundo condutor do aterramento convém que seja passado para dentro da residência, devendo chegar até o quadro de distribuição pois, ele é a base para um aterramento que garante uma maior segurança e proteção, ou seja, este é o seu Condutor de Proteção (PE, acrônimo do Inglês "Protective Earth") .

Se você não levar o condutor de Proteção (PE), desde a entrada de energia, através do circuito de distribuição, até o seu Quadro de Distribuição e efetivamente empregá-lo, para prover a sua proteção, a haste (eletrodo) que você instalou (10) para aterramento de entrada servirá, tão somente, para proteger o equipamento da concessionária, o transformador que está no poste da rua.

De fato, a Norma ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008 em seu item 5.4.3.6 diz: "Em toda edificação alimentada por linha elétrica em esquema TN-C, o condutor PEN deve ser separado, a partir do ponto de entrada da linha na edificação, ou a partir do quadro de distribuição principal, em condutores distintos para as funções de neutro e de condutor de proteção. A alimentação elétrica, até aí TN-C, passa então a um esquema TN-S (globalmente, o esquema é TN-C-S)." 

No contexto da Instalação Elétrica Residencial, você pode entender esquema TN-C como sendo "Terra e Neutro Combinados" e esquema TN-C-S como sendo "Terra e Neutro Combinados e Separados". O esquema TN-C-S recomendado pela norma, então, implica em condutor NEUTRO e condutor de PROTEÇÃO derivem em dois condutores distintos, a partir de algum ponto, logo em seguida ao ponto de ATERRAMENTO. O esquema TN-C-S fica, então, conforme diagrama a seguir:

O Quadro de Distribuição de Circuitos (QDC) é o centro de distribuição dos circuitos de consumo de energia elétrica de toda uma residência e, ao chegar ao quadro de distribuição, é o condutor PE (e NUNCA o condutor NEUTRO), que deverá ser utilizado para distribuir a necessária proteção por aterramento.

Caso o Condutor PE não chegue até o seu Quadro de Distribuição de Circuitos (como acontece em muitas residencias com instalação elétrica antiga) mas, somente chegue o condutor Neutro (mas, que neste caso, mais apropriadamente, deve ser denominado e Condutor PEN, acrônimo do inglês "Protective Earth and Neutral", pois ele está aterrado na entrada da residência, desde que você se assegure de que o seu aterramento de entrada esteja funcionando perfeitamente, com um haste integra, não corroída pelo tempo de exposição ao solo e com o conector que prende o condutor PEN a haste esteja firme, garantindo um bom contato elétrico, então você pode optar em derivar o Condutor PE, apenas a partir dali, do Quadro de Distribuição, para o restante da instalação da casa. Mas o ideal, mesmo, é trazê-lo desde a entrada.

Fazendo  isso, você estará convertendo o seu esquema de instalação elétrica da residência, de TN-C para TN-C-S.

Muito embora muitas residências ainda disponham apenas de antigas pontos de tomada bipolares (sem ponto e ligação do condutor de de terra), num sistema TN-C, a "função de condutor de proteção" deveria ter, sempre, prioridade sobre a "função neutro". Em especial, o condutor PEN deveria ser sempre ligado ao terminal de ligação à terra (massa) das cargas (dos equipamentos elétricos consumidores utilizados nas residências) e uma ligação em ponte ser usada para conectar este terminal para o terminal de neutro.

Infelizmente, por várias décadas, na prática, quase ninguém entendeu assim e, ainda hoje, um grande número de instalações elétrica residenciais não utiliza aterramento nos pontos de tomada de energia dos equipamentos. 

A norma NBR 5410 no seu item 5.1.2.2.4.2 é clara em dizer que, no esquema TN-C não podem ser utilizados dispositivos DR para seccionamento automático, para uma melhor proteção contra choques elétricos. Para poder usar DR você deve modificar a sua instalação elétrica, no mínimo, convertendo o seu esquema de instalação elétrica da residência, de TN-C para TN-C-S.

Por definição de norma, o condutor utilizado unicamente como o condutor de Proteção (seja PE ou PEN) não deve ser considerado como carregado, todavia, o condutor NEUTRO é um condutor carregado e quando eles são combinados em comum, num único condutor, este condutor será, de fato, carregado.

Na instalação de as Tomadas de Uso Geral em uma instalação elétrica residencial, a recomendação e para se empregar aquelas do tipo 2P + T, ou seja, para conter os Condutores de Fase, de Neutro e também o de Proteção (PE), se for de 127V, ou então para conter os condutores de Fase 1, Fase 2 e o de Proteção (PE), se for de 220V.

Eu não vou entrar aqui, em muitos detalhes sobre o porque as Empresas Concessionárias de Distribuição de Energia Elétrica não fornecem, elas próprias, um condutor especifico para proteção (PE) já devidamente aterrado e separado do Neutro, que pode ser ainda mais reforçado com o aterramento próprio no terreno das residências, como acontece na maioria dos países civilizados (pelo menos na Suécia e Japão como eu visitei e pude testificar isso).

O fato é que a própria norma brasileira vigente, que trata de “Fornecimento de Energia Elétrica em Tensão Secundária Rede de Distribuição Aérea - Edificações Individuais”, ao definir os “Tipos de Fornecimento” a partir das “Classificação das Unidades Consumidoras”, não se prestou a exigir isso das concessionárias, em favor dos com sumidores, dai a inexistência dessa responsabilidade que, obviamente, incidiria em elevados custos para as concessionárias.

Assim, ao construir ou reformar a instalação elétrica de qualquer imóvel residencial, é de fundamental importância que se atente em inserir na distribuição da instalação elétrica interna do imóvel o(s) condutor(es) PEN / PE, ligados a(s) haste(s) de aterramento de entrada pois, só assim, no caso de um acidente que resulte em danos materiais ou em danos a saúde de alguém, você, não só estará protegendo a si e aos outros, fisicamente, como usuário dos servições da concessionária, estará se salvaguardado, diante das normas vigentes, contra qualquer demanda legal.

Considere que o sistema TN-C requer um ambiente eficaz de equipotencial dentro da instalação elétrica da residência, com eletrodos de terra dispersos, espaçados tão regularmente quanto possível, uma vez que o condutor PEN é tanto o condutor neutro e, ao mesmo tempo que transporta correntes de fase de desequilíbrio, bem como as correntes harmônicas de ordem 3 (e seus múltiplos), muito embora, em geral, em cada residência, apenas uma haste de aterramento seja exigida pelas concessionárias.

Uma outra opção a ser considerada, ainda, é você instalar uma segunda haste de aterramento na entrada e tornar esta totalmente independente do aterramento do Neutro da entrada, levando o condutor PE, que está conectado a esta nova haste, pelo circuito de distribuição, para dentro da residência, até do quadro de distribuição, a fim de usá-lo como proteção. No contexto das instalações elétricas da residência, isso é caracterizado pela adoção denominado "Esquema TT", em que as massas da instalação são ligadas a eletrodos de aterramento eletricamente distintos do eletrodo de aterramento da alimentação.

Esta solução, empregando uma segunda haste de aterramento, não dispensa o uso da primeira haste, que é a exigida pela concessionária, até mesmo por que, no caso de uma descarga atmosférica (descarga elétrica de origem atmosférica entre uma nuvem e a terra consistindo em um ou mais impulsos de vários milhares de ampères), um aterramento multiponto, provido pelo condutor NEUTRO de entrada propositadamente aterrado nas residências é muito mais eficaz termos de segurança para proteger o equipamento dela.

O chuveiro elétrico, assim como todos os demais aparelhos eletroeletrônicos da residência, está ligado à rede elétrica que alimenta a residência e se um raio cair próximo ou sobre a mesma poderemos ter o aparecimento de surtos de tensão violentamente elevados e perigosos na fiação e a pessoa que estiver tomando banho, neste momento, pode tomar um choque elétrico e nos vivemos no país com um dos maiores níveis ceráunicos do planeta.

Seja como for, para proteção da vida, todo equipamento elétrico deve, por razões de segurança, ter o seu corpo (parte metálica) aterrado, com na ligação à Terra através do condutor de Proteção (PE), de todas as massas metálicas (chuveiros elétricos, carcaças de motores, caixas metálicas, equipamentos e mesmo as tomadas de uso geral.

Também os componentes metálicos das instalações elétricas, tais como, as caixas metálicas dos Quadros de Distribuição, os eletrodutos que forem metálicos, caixas de derivação metálica, enfim, tudo que for partes metálicas expostas ao contato humano, deve ser corretamente aterradas. A presença de água ou umidade em um ambiente torna o aterramento ainda mais necessário, de modo que o aterramento acaba por ser distribuído para todas as dependências de uma residência.

Em geral, na distribuição, o condutor de aterramento (por onde, em condições normais de operação nunca circula corrente elétrica) deve ter a mesma seção (bitola) dos demais condutores do circuito ao qual eles estão associados, desde 1,5 mm² até 16 mm², porém, em circuitos que exijam condutores carregados com seção maiores, de 20mm² a 35 mm² o condutor de aterramento pode permanecer com seção de apenas 16 mm². A cor da isolação plástica do cabo condutor de proteção PE ou PEN deve ser VERDE ou mesclado VERDE-AMARELO, diferenciando do condutor NEUTRO é sempre de cor AZUL clara.

Repetindo o que já foi dito antes, com a proteção por aterramento, quando vem a ocorrer algum problema ou defeito na parte elétrica de um equipamento que está corretamente aterrado, a corrente elétrica escoa para o solo (Terra) evitando o choque elétrico. Alguns tipos de solos, são melhores condutores de corrente elétrica, pois têm uma menor Resistividade Elétrica. A Resistividade é em função do tipo de solo, umidade e temperatura. A concentração de sal no solo, por exemplo, aumenta a condutividade, favorecendo um melhor aterramento.

Todas as tomadas de uso geral devem ser do tipo para plugue de tomada com três pinos (2P + T), sendo um dos pinos apropriado para a conexão do aterramento do aparelho a ela conectado. Inadvertidamente, as pessoas costumam colocar um adaptador que elimina o pino de aterramento, mas se esquecem que, fazendo assim, eliminam a proteção do aparelho a ele conectado, colocando em risco a vida dela e de outras pessoas, pela falta do aterramento, muitas vezes sem sequer estar consciente disso.

Conclusão: Na situação da primeira figura, o chuveiro não está aterrado, estando portanto, as pessoas sujeitas a tomar choques elétricos . Já, na situação da segunda figura, como o chuveiro está aterrado através do Condutor de Proteção (PE), as pessoas não estão sujeitas a tomarem choques elétricos.

“Não estão sujeitas a tomarem choques elétricos” mas … será que é mesmo verdade? Existe ainda o risco de acidentes por choque elétrico nos chuveiros elétricos, mesmo com a instalação em ordem e o sistema aterrado? A resposta é sim!

Proteção Elétrica por Interruptor DR:

Ainda que remotamente, até os chuveiros elétricos que usam resistências blindadas oferecem esse risco. Essa foi uma das razões que levou a ABNT a adotar os dispositivos de controle de fuga de corrente (DR – que é um acrônimo para Diferencial Residual). A instalação do circuito elétrico para a ligação de um chuveiro elétrico é um dos casos em que o uso de dispositivo diferencial residual de alta sensibilidade, ou seja, sensível a uma pequena corrente, deve ser empregado como proteção adicional obrigatória.

Assim, quando e se o aterramento falhar e uma descarga elétrica se precipitar através no chuveiro, o dispositivo DR se encarrega de acusá-la e de e Desligar a Carga do sistema, evitando o choque. O DR não substitui um disjuntor, pois ele não protege contra sobrecargas e curto-circuitos. Estas proteções devem-se ser obtidas por se utilizar o DR em associação com o disjuntor.

O dispositivo DR é capaz de detectar qualquer fuga de corrente. Quando isso ocorre, o circuito é automaticamente desligado. Como o desligamento é instantâneo, a pessoa não sofre nenhum problema físico grave decorrente do choque elétrico, como parada respiratória, parada cardíaca ou queimadura.

A norma NBR 5410 no seu item 5.1.2.2.4.3 é clara em tornar OBRIGATÓRIO o uso de proteção por dispositivo DR, pelo menos no caso de esquema TT de aterramento de instalação elétrica de residencia. Neste caso dispositivos DR devem ser empregados no seccionamento automático, para melhor proteção contra choques elétricos.

O dispositivo DR (diferencial residual) não dispensa o disjuntor. Os dois devem ser ligados em série, pois cada um tem sua função. A norma NBR 5410 recomenda o uso do dispositivo DR (diferencial residual) em todos os circuitos, principalmente nas áreas frias e úmidas ou sujeitas à umidade, como cozinhas, banheiros, áreas de serviço e áreas externas (piscinas, jardins). Assim como o disjuntor, ele também pode ser desligado manualmente se necessário.

A sensibilidade do interruptor varia de 30 a 500 mA e deve ser dimensionada com cuidado, pois existem perdas para terra inerentes à própria qualidade da instalação elétrica. Além do mais o uso do DR não isenta a necessidade do condutor de proteção de aterramento, ao contrário, passa a exigir ainda mais pois, na verdade, Aterramentos Elétricos podem ocorrer por dois motivos:

1. Aterramento do equipamento por razões de proteção e segurança: neste caso, o Aterramento protege as pessoas e/ou animais domésticos contra os choques elétricos.

2. Aterramento por razões funcionais: o Aterramento é necessário para que o equipamento elétrico funcione corretamente;

O DR é um dispositivo que só poderá ser aplicado onde existe a presença do condutor de proteção PE. Sem ele, o DR sequer poderia funcionar, mesmo que o condutor PE não seja diretamente conectado a ele.

Além do mais, em redes elétricas TN-C (terra e neutro combinados (PEN) no contexto da instalação elétrica residencial), dispositivos de corrente residual (interruptores DR) são muito menos propensos a detectar um defeito de isolamento, com o agravante, ainda de ser muito vulnerável a disparos indesejados de contato entre os condutores de terra de circuitos em  interruptores DR diferentes com aterramento local. Além disso, os interruptores DR geralmente isolam o centro neutro e, uma vez que é inseguro fazer isso em um sistema TN-C, IDRs em sistemas TN-C devem ser ligados, apenas, para interromper os condutores vivos. A somatória destes motivos acaba por tornar impraticável o uso de IDRs em sistema TN-C.

De maneira geral, Dispositivos Diferenciais de Corrente Residual funcionam com um sensor que mede as correntes que entram e saem do circuito pelos condutores carregados (Fase + Neutro, ou Fase + Fase). Essas duas corrente devem ser sempre, exatamente de mesmo valor, porém de direções contrárias em relação à carga. Se chamarmos a corrente que entra na carga de I+ e a que sai de I- (1), logo a soma das correntes (corrente resultante) será igual a zero (2). A soma só não será zero se houver corrente fluindo para o Terra, (3), através do condutor de proteção, como no caso de um choque elétrico. Dai o DR atua.

Assim, o Interruptor DR mede, permanentemente, a soma vetorial das correntes que percorrem os condutores de um circuito. Se o circuito elétrico estiver funcionando sem problemas, a soma vetorial das correntes nos seus condutores é praticamente nula. Ocorrendo uma falha de isolamento em um equipamento alimentado por esse circuito, irromperá uma corrente de falta à terra.

Quando isto ocorre, a soma vetorial das correntes nos condutores monitorados pelo IDR não é mais nula e o dispositivo detecta justamente essa diferença de corrente. Da mesma forma, se alguma pessoa vier a tocar uma parte viva do circuito protegido, a corrente irá circular pelo corpo da pessoa, provocando igualmente um desequilíbrio na soma vetorial das correntes. Este desequilíbrio será também detectado pelo IDR tal como se fosse uma corrente de falta à terra.

A NBR 5410 também prevê, ainda, a possibilidade de se optar pelo emprego de um único disjuntor + DR (ou mesmo apenas do DR), na proteção geral (ao invés de na proteção de cada circuito terminal). Do ponto de vista dos custos, esta pode ser a opção mais inteligente (mas a segurança não é a melhor), podendo se optar por DR de sensibilidade maior, como 100mA (ao invés dos mais sensíveis de 30 mA).

Legendas:
DTM = Disjuntor Termomagnético;
IDR = Interruptor DR.

No caso de instalação de interruptor DR na proteção geral, a proteção de todos os circuitos terminais pode ser feita com o uso de disjuntores termomagnéticos. Isso é representado no desenho ao lado.

Seja como for, a instalação do DRs deve ser sempre feita no quadro de Distribuição dos Circuitos (ou em quadros dedicados de proteção e manobra extra) e, deve ser sempre precedida por proteção geral contra sobre corrente e curto circuito.

Casos em que o dispositivo DR é obrigatório:

De acordo com o item 5.1.3.2.2 da norma NBR 5410, o dispositivo DR é obrigatório desde 1997 nos seguintes casos:

1. Em circuitos que sirvam a pontos de utilização situados em locais que contenham chuveiro ou banheira;
2. Em circuitos que alimentam tomadas situadas em áreas externas à edificação;
3. Em circuitos que alimentam tomadas situadas em áreas internas que possam vir a alimentar equipamentos na área externa;
4. Em circuitos que sirvam a pontos de utilização situados em cozinhas, copas, lavanderias, áreas de serviço, garagens e demais dependências internas normalmente molhadas ou sujeitas a lavagens.

A exigência de proteção adicional por dispositivo DR de alta sensibilidade se aplica às tomadas de corrente nominal de até 32 A; Quanto ao item 4, admite-se a exclusão dos pontos que alimentem aparelhos de iluminação posicionados a pelo menos 2,50 m do chão; O dispositivo DR pode ser utilizado por ponto, por circuito ou por grupo de circuitos.

Se você estiver interessado em aprender a fazer a "Proteção de um circuito passo a passo", ou seja como dimensionar  e instalar Interruptores DR, eu recomendo que você baixe o arquivo (PDF) do "Manual-Guia do Eletricista Residencial Schneider" e o estude com atenção a partir da página 3/9. Existem outros mas, esse é um ótimo material.

Equipamento de Carregamento de Veículo Elétrico (ECVE):

Como foi dito anteriormente, o aterramento elétrico é feito para proteger, mas, também existe, em alguns casos, por motivos funcionais: alguns dispositivos precisam do aterramento para poder funcionar e, um desses equipamentos e o que eu chamarei aqui de Equipamento de Carregamento de Veículo Elétrico (ECVE), para este equipamento funcionar corretamente, a existência do condutor de aterramento elétrico, também é obrigatório.

Um ECVE, que pode ser chamado também, simplesmente, de estação de carga, é o equipamento utilizado para se “carregar” as baterias dos Veículos Elétricos (VEs), e é para onde o foco desta dissertação se encaminhará daqui em diante, muito embora, ambos, tanto os VEs quanto os ECVEs, infelizmente, ainda não estejam efetivamente disponíveis ao consumidor residente no Brasil.

Mas para os VEs chegarem aqui, é só uma questão de tempo, de bem pouco tempo. Todavia … se você ainda não cogitou ter um VE na sua garagem, mesmo assim, com respeito a proteção por aterramento e interruptor DR na instalação elétrica da sua residência, evite incidentes e não perca tempo, chame logo um eletricista certificado e peça uma avaliação, o mais breve possível. A saúde e segurança das pessoas e do patrimônio é o mais importante!

Dai em diante, nunca mais utilize adaptadores que inutilizem o sistema de aterramento, quando usados para conectar aparelhos. Certifique-se que o aterramento esteja presente em todas as suas tomadas, conforme a norma NBR 5410. Prepare a instalação elétrica da sua casa para receber o Veículo Elétrico em breve.

Se você estiver trocando o sistema de aquecimento da água do seu banho, de chuveiro elétrico para o aquecimento a gás, saiba que cada um dos circuitos da sua instalação elétrica que passam a ficar em disponibilidade com a mudança, serão cruciais para que você possa instalar, futuramente, um ECVE, sem precisar gastar tanto.

Se desejar saber mais sobre:

Instalação Elétrica Residencial - Critérios Técnicos para Dimensionamento de Condutores e Proteção Elétrica para Tomada de Energia para EVSE, ou ...

ou sobre:

Solução para Carregamento de VEs em Garagens Residenciais

e todas as demais, futuras e atuais postagens deste blog. Obrigado!

Notas:

1. MEDIDOR MONOFÁSICO DE 2 FIOS O CONDUTOR DE NEUTRO (resposta ao leitor Doug Gudows):