RISCOS DO ARCO ELÉTRICO
Conteúdo
1. Introdução ............................................................................................................................... 2
2. Estado da Arte ........................................................................................................................ 3
3. Curto-Circuito ........................................................................................................................ 12
4. Coordenação da Proteção .................................................................................................. 16
6. Métodos de Cálculo de Efeitos de Arco Elétrico ............................................................. 22
6.1. Método da IEEE Std 1584:2002 ................................................................................. 22
6.1.1. Corrente do Arco Elétrico ..................................................................................... 23
6.1.2. Energia Incidente................................................................................................... 23
6.1.3. Método de Lee ....................................................................................................... 25
6.1.4. Superfície de Proteção Contra Arco ................................................................... 25
6.1.5. Fusíveis Limitadores de Corrente ....................................................................... 26
6.1.6. Disjuntores de Baixa Tensão ............................................................................... 26
6.2 – Método da NFPA 70E:2004 ...................................................................................... 27
7 – Programas Comerciais (softwares) Existentes ............................................................. 28
7.1 – Avaliação de funções [87] ......................................................................................... 28
8 - EPI´s para proteção contra arcos elétricos..................................................................... 36
9 - ensaios em EPI´s para Proteção Contra Arcos elétricos ............................................. 45
9.1 - Norma ASTM F1959/F1959m-05A Copyright 2006 [85] ....................................... 45
9.2 - norma IEC 61482-1:2002 ........................................................................................... 46
9.2.1 - método A – montagem de três painéis com dois sensores ........................... 46
9.2.2 - método B – utilização de manequins ................................................................ 47
9.3 - Norma IE Std 1584:2002 ............................................................................................ 47
9.4 - Norma NFPA 70E:2004 .............................................................................................. 49
10 – Conclusão ......................................................................................................................... 50
1. Introdução
No Brasil, com o advento da nova NR 10 [78] em 2005, houve uma
preocupação com a segurança dos trabalhadores ligados à eletricidade. Apesar
de tal norma não ser explícita na abordagem do assunto desta monografia, ela
apresenta definições envolvendo a proteção contra efeitos térmicos
(queimaduras) dos trabalhadores, induzindo o autor a realizar uma pesquisa
mais profunda do que as até hoje propostas na literatura disponível.
Sabe-se que, sempre que um equipamento elétrico energizado está
sendo examinado, mantido ou ajustado, havendo condições propícias, existe o
risco potencial da ocorrência de um arco elétrico, podendo resultar em
ferimentos no trabalhador eletricista e danos para o equipamento.
Considerando que o arco elétrico pode causar ferimentos severos ao ser
humano ou mesmo a morte, e, que este assunto é pouco desenvolvido na
língua portuguesa, procurou-se, nesta monografia, fazer uma revisão no
assunto. Assim sendo, dividiu-se o assunto em capítulos, onde consta uma
revisão bibliográfica, o que é o arco elétrico e as suas conseqüências para a
segurança dos seres humanos, uma descrição dos métodos de cálculo
normalizados existentes, para estimativa dos principais parâmetros de
interesse, os principais softwares existentes no mercado, EPI´s empregados na
proteção contra arcos elétricos e os ensaios em tais equipamentos.
Finalmente se apresenta um cálculo exemplificativo, uma palestra
desenvolvida sobre o assunto e um procedimento para ensaio de EPI
resistente ao arco elétrico.
Aspecto crítico no estabelecimento dos limites atingidos pelo arco
elétrico são a energia disponível no arco, a elevação de temperatura na pele da
pessoa, considerada devido à radiação térmica associada ao arco elétrico, a
quantidade de energia liberada no arco que aparece na forma de uma onda de
choque (explosão), o que permite estabelecer a pressão exercida no corpo e o
tempo em que a pessoa ficou exposta ao arco elétrico.
O valor da corrente de curto-circuito no equipamento e a duração de tal
corrente considerada na “condição de curto-circuito franco ou sólido” são
críticos na determinação dos limites de alcance do arco elétrico para
determinada peça do equipamento elétrico. O aumento do valor da corrente de
curto-circuito e da duração de tal corrente aumenta a distância limite
necessária para evitar danos físicos ao ser humano.
O conhecimento de informações técnicas envolvendo os riscos
associados ao arco elétrico pode ajudar a minimizar a exposição ao arco e
centelhamento potencial de alguns equipamentos elétricos.
2. Estado da Arte
O assunto referente a RISCOS PARA O SER HUMANO DEVIDO AO
ARCO ELÉTRICO vem sendo trabalhado há cerca de 30 anos nos Estados
Unidos da América, conforme apresentado resumidamente na Figura 2.1
O primeiro artigo técnico relevante no tema foi escrito por Lee em 1982,
intitulado “The other electrical hazard: electric arc blast burns” (O outro perigo
elétrico: queimaduras produzidas por explosão de arco elétrico), mostrando que
as queimaduras por arco elétrico eram partes substanciais dos ferimentos
causados por problemas elétricos. Lee identificou que o arco elétrico é o termo
aplicado à passagem através do vapor do arco terminal do metal condutivo ou
material carbonizado. As temperaturas altas nestes arcos podem causar
queimaduras fatais a até 1,5m de distância e queimaduras importantes a até
3,0 m de distância do local do arco elétrico. Adicionalmente, os arcos elétricos
expelem gotas de material fundido que se espalham na imediata vizinhança,
similar, mas com maior intensidade do que o material expelido pela solda
elétrica. Estes achados começaram a preencher um vazio criado pelos
primeiros trabalhos que identificavam o choque elétrico como o maior perigo
elétrico. O trabalho de Lee também ajudou a estabelecer a relação entre
temperatura e o tempo de morte da célula que compõe o tecido humano, da
mesma forma que a relação entre a temperatura e o tempo de cura de uma
célula queimada.
Uma vez que a análise forense de acidentes elétricos se concentrou nos
ferimentos causados pelo arco elétrico, a experiência adquirida após um
determinado período de tempo indicou que as fórmulas de Lee para calcular as
relações entre distância e energia da fonte de arco elétrico não serviam para
harmonizar os grandes efeitos térmicos em pessoas posicionadas em frente a
portas abertas ou coberturas removíveis, produzidos por arcos elétricos no
interior de painéis elétricos.
Um artigo técnico apresentado por Doughty, Neal, and Floyd em 2000,
“Predicting incident energy to better manage the electric arc hazard on 600 V
power distribution systems” (Predizendo a energia incidente para melhor
gerenciar os perigos do arco elétrico em sistemas de distribuição de 600 V),
apresentava ensaios mais estruturados empregando “arcos elétricos em áreas
abertas” e “arcos em uma caixa com formato de cubo”. Estes ensaios trifásicos
foram realizados com tensões nominais de 600 V e são aplicáveis para
correntes de curto-circuito na faixa de 1000 A até 50000 A. Foi estabelecido
que a contribuição do calor refletido nas paredes nas proximidades do arco
intensificavam o calor dirigido no sentido da abertura do painel.
A importância da segurança na indústria e o reconhecimento da
existência de queimaduras devido ao arco elétrico mostraram a necessidade de
proteger os empregados dos efeitos de todos os arcos elétricos. As limitações
de aplicação das “bem conhecidas” fórmulas para calcular as queimaduras
“curáveis” ou “incuráveis” foram superadas, podendo-se atualmente empregar
modelos baseados em análise estatística e ajustes de curvas com base nas
informações existentes sobre os ensaios realizados, como é feito na IEEE Std.
1584:2002 [71].
Assim sendo, o Grupo de Trabalho da IEEE Std. 1584 realizou uma
grande quantidade de ensaios e desenvolveu novos modelos para cálculo da
energia incidente, sendo obtidas soluções rápidas e compreensíveis nos
cálculos de riscos devido ao arco elétrico para uso, tanto em configurações
mono ou trifásicas, em ambientes abertos ou painéis e considerando sistemas
de baixa ou média tensão.
Os demais capítulos estão correlacionados com a segurança para os
empregados no ambiente do trabalho, sendo todos os capítulos aderentes às
Normas da OSHA - Occupational Safety & Health Administration, NEC National Electrical Code e do NESCNational Electrical Safety Code.
Cabe mencionar ainda a norma Internacional IEC 61482-1, intitulada
“Trabalho sob tensão elétrica – Materiais resistentes à chama para vestimentas
de proteção térmica de trabalhadores – Risco de arco elétrico para efeitos
térmicos – Parte 1: Métodos de Ensaio”.
Também há uma descrição dos equipamentos a serem utilizados nos
ensaios, tais como calorímetros, sensores, barramento de alimentação,
eletrodos, fi o fusível, fonte de alimentação, circuito de controle do ensaio e
sistema de aquisição de dados.
Como não poderia deixar de acontecer, são comentados os aspectos de
segurança envolvidos com os ensaios, sua preparação e interpretações dos
resultados.
Outro aspecto abordado pela normalização existente se refere à
suportabilidade do corpo humano à temperatura, sendo informado que o corpo
humano pode resistir em uma faixa estreita de temperaturas, próxima à
temperatura normal do sangue, o que é ao redor de 36,5ºC. A sobrevivência
muito abaixo deste nível requer o emprego de roupas isolantes. Temperaturas
ligeiramente acima deste nível são compensadas pela perspiração. Estudos
mostram que a pele, em temperaturas tão baixas quanto 44ºC, o mecanismo
de equilíbrio corporal começa a ser rompido em cerca de 6 h. Danos às células
podem ocorrer após um período de 6 horas em tal temperatura.
Para temperaturas entre 44°C e 51°C, a taxa de destruição de células
dobra para cada 1°C de elevação de temperatura. Acima de 51°C, a taxa de
destruição de células é extremamente rápida. A 70°C, apenas
1s de duração é suficiente para causar a destruição total da célula. Apesar de
toda a normalização existente para o cálculo do risco, da energia incidente e
das fronteiras de segurança para proteção contra o arco elétrico serem
empíricos ou semi-empíricos, existem métodos que permitem quantificar os
efeitos do arco elétrico de forma analítica [30 e 73]. Tais métodos permitem
avaliar modelos de queimaduras, considerando que quando um fluxo de calor é
aplicado à pele humana em um dado intervalo de tempo, um perfil de
temperatura é estabelecido na pele como resultado da difusão térmica. Este
perfil de temperatura é função do fluxo de calor e das propriedades térmicas da
pele. Para um fluxo constante de calor na superfície sem ablação, a elevação
de temperatura na pele pode ser definida como sendo:
As propriedades da pele são algumas vezes assumidas como sendo as
mesmas da água. Quando medidas reais dessas propriedades são realizadas,
verifica-se a sua variação em diferentes locais do corpo e a diversas
profundidades. Valores típicos das propriedades térmicas da pele estão
apresentadas na Tabela 2.1.
Para um pulso de calor de duração τ q, o calor incidente total na
superfície da pele é dado pela equação a seguir.
Q=τq
Onde os parâmetros ainda não definidos são:
Q calor incidente total na superfície da pele [J]
No fim do aquecimento (τ = τC), o calor Q é armazenado próximo à
superfície da pele. À medida que o tempo passa, este calor se difunde para o
interior da pele e eleva a temperatura em uma dada profundidade na pele. Um
conjunto típico de perfis de temperatura é apresentado na Figura 2.2
Na profundidade X, a temperatura começa a aumentar no tempo τ2,
alcança o pico em τ3, e então decai no tempo τ4. Assumindo que X
corresponde à base da derme, após o aquecimento, a temperatura na base da
derme aumenta para um pico e então cai à medida que o tempo passa. A
máxima temperatura que a base da derme alcança é importante porque isto
determina que uma queimadura de terceiro grau será produzida. A elevação de
temperatura que a base da derme (X=2 mm) irá experimentar para um dado
fluxo de calor particular pode ser determinada pelo uso de uma equação mais
geral do que a apresentada, o que é válido para qualquer tempo. Para que se
avaliem os tipos de queimaduras existentes, é importante visualizar a estrutura
da pele, conforme apresentado na Figura 2.3.
Se a queimadura é limitada pela espessura da epiderme (X ~ 0,12 mm),
esta é considerada uma queimadura de primeiro grau. Se a derme é afetada (X
~ 2,0 mm) isto corresponde a uma queimadura de segundo grau.
Profundidades maiores correspondem a queimaduras de terceiro grau
[29].
Com base nestes critérios, Hardee e Lee determinaram a dose de
radiação (kJ/m2 = 0,1 J/cm2) como função da duração da exposição, para
queimaduras de segundo e terceiro graus, sendo definido o gráfico
apresentado na Figura 2.4, com o auxílio de resultados numéricos analíticos
obtidos através de equações que definem o fenômeno comparados com
resultados experimentais.
O homem cujo braço está apresentado na Figura 2.5 à esquerda, estava
nas proximidades de um painel elétrico quando da ocorrência de uma
explosão. O mesmo informou que não tocou o painel, sendo que o arco elétrico
desenvolvido pelo ar atravessou o seu corpo, sendo a corrente conduzida
através dos orifícios em forma de pontos devido à perspiração ser muito
condutiva. Na mesma Figura, à direita, aparecem as mãos de um eletricista
atingido pelo arco elétrico por um minúsculo instante de tempo, para ser exato,
uma duração de arco de 0,0084 segundos.
Queimaduras de segundo e terceiro graus podem causar restrições
físicas ao ser humano. O seu tratamento, também relacionado à doença devido
às queimaduras após algumas horas, seguidamente requer auxílio clínico em
hospitais especializados. Uma probabilidade real de morte está sempre
presente.
Uma forma de estimar esta probabilidade é realizada com base na
porção da superfície de pele que foi queimada e depende, também, da idade
da pessoa afetada. Na Tabela 2.2, está apresentada a relação entre a
probabilidade de mortalidade e esses parâmetros, sendo empregada para
estimar a probabilidade de sobrevivência dos pacientes.
Pode ser visto, desta Tabela 2.2, que para uma queimadura que corresponda à
cerca de 50 % da superfície da pele, uma criança entre 0 e 9 anos de idade
tem 80 % de probabilidade de sobrevivência, uma pessoa entre 30 a 35 anos
de idade tem uma probabilidade de sobrevivência de 50 % e uma pessoa com
mais do que 60 anos de idade provavelmente falecerá.
Considerando que o modelo analítico apresentado se refere à aplicação
de um fluxo de calor na pele nua e que, na realidade o operário em eletricidade
ou bombeiro, ambos expostos tanto a explosões como a radiação térmica,
estarão utilizando roupas, será apresentado um modelo analítico considerando
o efeito do fluxo de calor na pele revestida com roupa.
Outro aspecto relevante é quanto ao emprego de roupas não adequadas
quando ocorrem exposições a fluxos térmicos, pois se sabe que zonas do
corpo humano cobertas com roupas inadequadas podem ser mais queimadas
do que se estivessem expostas, conforme apresentado na Figura 2.6 [83]. As
queimaduras mais severas são causadas pela ignição das roupas, não pelo
jato de fogo, como no caso dos bombeiros, ou pela exposição do eletricista ao
arco elétrico.
Além dos métodos para avaliar o comportamento da pele nua quanto a
queimaduras, existem métodos para avaliar o efeito conjunto da roupa
protetora e da pele quando um fluxo de calor é aplicado em um dado intervalo
de tempo. Tal método [80], foi empregado para avaliar a roupa dos Bombeiros,
com umidade, quando da ocorrência de um jato de fogo (flash fire).
Um diagrama esquemático do transporte de calor e umidade nas roupas
dos Bombeiros, bem como da transferência de calor na pele humana e tecidos
relacionados, está apresentado na Figura 2.7. A vestimenta de proteção
consiste de três camadas: a cobertura externa, a barreira úmida e a camada
interna. É mostrada a configuração das camadas de vestimenta, bem como da
pele humana, também dividida em três camadas, tais como a epiderme, a
derme e a camada subcutânea.
Para a simulação considerada, foi empregada a teoria da transferência
de calor e massa acoplados em um meio poroso, para obter um conjunto de
equações de transferência de calor e massa através de materiais têxteis. Foi
assumido que o tecido pode ser modelado como um meio poroso higroscópico.
O material foi modelado como uma mistura de fases consistindo fibras
sólidas (p. ex. polímero ou algodão) mais água absorvida pela matriz
polimérica, uma fase líquida consistindo de água líquida livre e uma fase
gasosa consistindo de vapor de água mais ar inerte. O modelo leva em conta a
transferência de calor por condução em todas as fases, convecção nas fases
líquida e gasosa, e o calor latente liberado devido à mudança de fase de líquido
para vapor. Foi assumido que o fluxo de calor convectivo é aplicado na
superfície do tecido, mas o fluxo de calor radiado pode penetrar no tecido até
uma determinada profundidade.
Baseado nas suposições apresentadas, o balanço de energia em um
elemento infinitesimal do tecido pode ser escrito na forma de uma equação
diferencial. A equação diferencial parcial foi desenvolvida para um tecido
composto em camadas.
Portanto, a equação de energia é modelada incluindo o termo de
radiação.
A transferência de radiação em tecidos é levada em conta pela
introdução na equação da energia de um termo fonte. Para simplicidade, as
contribuições convectivas da fase gasosa devido às diferenças de pressão, que
podem ocorrer ou por movimento do corpo ou por movimento do ar externo
(vento), foram desconsideradas. Mas, foi considerado que existe líquido extra,
devido ao suor que aflora na superfície da pele, irá pingar ou entrar no tecido
por capilaridade e então será absorvido pelas fibras do tecido e então se
tornará água celular. Em outras palavras, não existe água livre na superfície da
pele ou do tecido considerado. A equação de balanço de energia pode ser
expressa como:
Onde é a densidade efetiva do tecido, Cp é o calor especifico do tecido,
T é a temperatura, t é o tempo, é a entalpia de transição da água celular para a
água líquida livre, é a entalpia da evaporação por unidade de massa, é o fluxo
de vapor para fora da fibra (+) ou para dentro da fibra (-), x é a coordenada
linear horizontal, keff é a condutividade térmica do tecido, é o coeficiente de
extinção do tecido e é o fluxo térmico da radiação incidente, da chama para o
tecido. Todos os termos descritos apresentam equações próprias de definição.
A Figura 2.8 contém as distribuições de temperatura na pele humana em
diferentes instantes de tempo. O ponto de origem do eixo x é a superfície
externa do tecido, sendo o eixo orientado para o interior do tecido humano. A
primeira camada de pele começa a partir da distância de 0,00885 m da camada
mais externa do tecido. A temperatura da pele continua aumentando mesmo
com o término do fogo. Isto ocorre devido à energia acumulada dentro do
tecido e do espaço de ar existente entre o tecido e a pele durante a exposição
ao fogo. Portanto, as queimaduras na pele podem ocorrer além dos 4
segundos da exposição ao jato de fogo, devido ao calor acumulado na
vestimenta.
Observe-se que a intenção de apresentar modelos analíticos é de
mostrar a possibilidade de equacionar os eventos associados à transferência
de calor do arco elétrico para o corpo (pele) do ser humano, inclusive
considerando a existência de EPI apropriado para a proteção do trabalhador
sujeito a tais ocorrências.
3. Curto-Circuito
A determinação das correntes de curto-circuito e baseada em dois
métodos de calculo: o método por unidade (pu) e o método da transformação
das componentes simétricas de Fortescue para sistemas elétricos
desequilibrados.
Na área de sistemas de energia elétrica a utilização de valores
percentuais, conhecidos como pu (do inglês per unit) e uma técnica
comumente utilizada para auxiliar na resolução dos problemas. Esta técnica
proporciona inúmeras vantagens, das quais se pode citar como principais:
• Simplificação dos cálculos;
• Facilidade para trabalhar com potencias trifásicas e monofásicas pois o
sistema pu diminui a possibilidade de confusão;
• Facilidade de comparação entre grandezas e equipamentos, pois em
pu os valores encontram-se dentro de uma estreita faixa de valores, enquanto
que seus valores em Ohm (Ω) tem uma faixa de variação bastante ampla;
• Se o valor real de uma grandeza de um equipamento não e conhecido,
pode-se estimar um valor típico com uma boa aproximação. Existem tabelas
que apresentam valores típicos de equipamentos em pu em função de algumas
grandezas nominais;
• Em transformadores o valor da impedância dada em pu e o mesmo
tanto para o lado de alta como para o lado de baixa tensão;
• Em transformadores trifásicos (ou banco de transformadores
monofásicos) a impedância em pu independe do tipo de conexão;
• O método pu e independente das mudanças das tensões e defasa
mentos angulares através de transformadores, onde as tensões de base nos
enrolamentos são proporcionais ao numero de espiras nos enrolamentos.
O valor pu e obtido pela utilização de uma equação simples de relação
de parâmetros, expressa como:
Sabe-se que, mesmo um Sistema de Energia Elétrica (SEE) bem
projetado esta suscetível a uma serie de ocorrências que alteram seu padrão
normal de funcionamento. Devido ao seu tamanho, quantidade e diversidade
de equipamentos, alem da natural exposição as intempéries e ações
mecânicas, este tipo de sistema esta constantemente sujeito a perturbações
que conduzem a alterações de suas grandezas elétricas (corrente, tensões,
freqüência), muitas das vezes levando o sistema a violar restrições operativas
(altas correntes que originam sobrecarga, sub e sobtensões etc.). Entre as
diversas perturbações que podem ocorrer em um sistema de energia, os
curtos-circuitos encontram-se entre as mais graves [74].
Curtos-circuitos acontecem em sistemas de energia elétrica quando
ocorrem falhas na isolação de equipamentos, devido a causas mecânicas
como rompimento de condutores (ação de ventos, colisão de veículos com
elementos de sustentação etc.), como conseqüência de sobtensões causadas
por raios ou surtos de chaveamento, quando ocorre contaminação da isolação,
pela presença de maresia ou locais com alta concentração de poluição, ou por
outras causas. Como conseqüência da presença destes problemas, resulta
uma corrente chamada de corrente de curto-circuito ou corrente de falta, a qual
e determinada levando-se em conta as tensões internas dos geradores e a
impedância do sistema entre as tensões das maquinas e o ponto de falha. As
correntes de curto- circuito costumam ser de magnitude muito superior as
correntes normais de operação, e, se persistirem em regime permanente sem
serem eliminadas, podem causar danos nos
equipamentos devido aos problemas térmicos que acarretam. Alem disso,
enrolamentos de transformadores e barramentos condutores podem sofrer
danos mecânicos devido as altas forcas magnéticas exercidas pela corrente de
curto-circuito durante a falta. Sendo assim, espera-se que quando ocorrerem
curtos-circuitos, os mesmos sejam eliminados tão rapidamente quando
possível, a fim de evitar danos aos equipamentos e a sua propagação as
demais partes do sistema que estejam operando normalmente.
Basicamente, podem ocorrer quatro tipos de curtos-circuitos em um
SEE:
1. Curto-circuito trifásico.
2. Curto-circuito bifásico (ou fase-fase)
3. Curto-circuito bifásico-terra (ou fase-fase terra).
4. Curto-circuito monofásico (ou fase-terra).
Todos estes tipos de curtos-circuitos podem ocorrer com a presença de
impedâncias de falta, a qual representa a impedância entre o ponto onde
ocorre o curto-circuito e a terra.
Cada curto-circuito apresentado acima possui um comportamento de
tensões e correntes característicos, os quais devem ser perfeitamente
determinados a fim de que seja selecionada e ajustada a proteção correta.
A seguir, serão avaliados curtos-circuitos francos trifásicos para que seja
empregado o equacionamento existente referente aos riscos provenientes do
fluxo térmico produzido pelo arco elétrico.
As correntes de curtos-circuitos possuem valores muito superiores as
correntes normais de carga. Isto permite que sejam feitas algumas
simplificações que não introduzem erros apreciáveis e permitem que sejam
adotadas algumas hipóteses simplificadoras. As principais simplificações são:
1. Todos os geradores síncronos do sistema são considerados operando
com a tensão de 1,0 pu e angulo de 0,0 (zero) grau;
2. Os parâmetros em derivação (shunt) das linhas são ignorados;
3. Para sistemas de EAT-Extra Alta Tensão e superiores, as resistências
series são desconsideradas (linhas de transmissão, transformadores), pois
seus valores são muito inferiores as respectivas reatâncias serie.
4. As cargas são ignoradas;
5. Todos os transformadores do sistema são considerados operando
na derivação (tap) nominal;
6. A rede de seqüência negativa e considerada idêntica a rede de
seqüência positiva.
Para estudos em que não sejam exigidos detalhamentos para analises
especificas, alem das simplificações acima são feitas algumas considerações
adicionais, tais como:
• São simulados somente curtos-circuitos sólidos;
• Considera-se somente a condição de máxima geração;
• As impedâncias de seqüência zero (próprias e mutuas) das linhas de
transmissão são parâmetros aproximados.
A primeira observação decorre do fato de ser difícil de estimar valores
para as impedâncias de falta. A segunda consideração leva em conta a adoção
da capacidade nominal das usinas, pois a geração e função do despacho de
carga e varia durante a operação diária dos SEE. A terceira consideração e
colocada pelo fato de que as impedâncias de seqüência zero dependem da
resistividade do solo em todo o trajeto da linha, o que causa uma grande
dificuldade na determinação de um valor exato.
Levando em consideração as hipóteses apresentadas nos itens 1 a 4,
verifica-se que o sistema pode ser representado como se estivesse operando
em vazio.
A analise de curtos-circuitos em sistemas de energia e uma tarefa
bastante complexa, uma vez que exige conhecimento da modelagem
matemática de cada dispositivo e a determinação do nível da corrente de curtocircuito em cada ponto exige numerosos cálculos. Este método somente e
viável para redes de pequena dimensão, uma vez que deve ser realizada uma
serie de redução de redes, sendo sua principal aplicação o estudo e
entendimento da teoria básica de curto-circuito. Na Figura 3.1, esta mostrado o
resultado da redução dos circuitos para o calculo do curto-circuito trifásico em
uma barra especifica
.
Depois de reduzido o circuito, pode-se obter a corrente de curto-circuito
em pu e em A, aplicando equações simples, como:
Para sistemas industriais e comerciais reais, compostos por dezenas ou
centenas de geradores, dezenas ou centenas ou mesmo milhares de barras,
linhas de transmissão e transformadores, deve-se recorrer ao calculo do curtocircuito utilizando simulação digital em computadores. A essência deste método
e a formação da matriz impedância de barras e a utilização de métodos
matriciais que efetuam o calculo das correntes de curto-circuito, contribuições
das linhas, transformadores e alimentadores e tensões em todos os pontos do
sistema, entre outras características.
4. Coordenação da Proteção
Curtos-circuitos causam muitos danos, portanto, devem ser eliminados
no menor tempo possível, e a parte do sistema que for atingida deve ser
isolada, tão rapidamente quanto possível, do restante do sistema, a fim de que
as conseqüências do curto-circuito não originem outras falhas e comprometam
a operação normal do sistema como um todo, o que poderia inclusive originar
um blecaute.
Para executar esta função são projetados e operados esquemas de
proteção. De uma forma simplificada e esquemática, um sistema de proteção
genérico de um equipamento pode ser representado como na Figura 4.1.
Um sistema de proteção para alta e baixa tensão é composto,
basicamente, dos seguintes elementos:
Disjuntor de baixa tensão: é um elemento que isola o sistema de baixa
tensão de forma automática, contendo dispositivos sensores de correntes de
curto –circuito incorporados. Existem vários tipos construtivos, a saber:
• Disjuntores em caixa moldada (MCCB molded-case circuit breaker)
• Disjuntores em caixa isolada (ICCB insulated-case circuit breaker)
• Disjuntores de potência de baixa tensão (LVPCB low-voltagepower
circuit breaker)
Um exemplo de disjuntor de baixa tensão, apresentado em corte e com
indicação das principais componentes está apresentado na Figura 4.2.
Transformadores para instrumentos (transdutores ou redutores de
medida): Os redutores de medidas, também conhecidos como transformadores
para instrumentos, são transformadores especiais de corrente (TC) e potencial
(TP), que tem a função de reduzir as grandes (correntes e tensões) e de isolar
os instrumentos de medição, controle e proteção da rede onde estão
conectados.
Relés indiretos: A função dos relés de proteção é, com base nos valores
das medidas elétrica obtidas dos transformadores a instrumentos, tomar a
decisão através da sua função específica (relé de sobrecorrente
de fase, relé de sobrecorrente direcional, etc.) e comandar a abertura do
disjuntor.
Quanto à tecnologia empregada, os relés de proteção podem ser dos
seguintes tipos:
• Eletromecânicos
• Estáticos
• Digitais ou microprocessados
Os relés costumam ser identificados por números, padronizados pela
NBR 5175:1988 [75], que descrevem a sua função, assim como, por exemplo,
tem-se:
• Função 50 - relé de sobrecorrente instantâneo.
• Função 51 - relé de sobrecorrente temporizado.
• Função 87 - relé diferencial.
• Função 21 - relé de distância.
• Função 27 - relé de subtensão.
Para que estes equipamentos sejam corretamente especificados e
possam operar da forma planejada, é necessário realizar estudos de curtocircuito a fim de determinar os níveis máximos de corrente em todos os pontos
a serem protegidos, e os valores de tensão a que ficarão sujeitos os pontos do
sistema quando da ocorrência de uma falta.
Fusíveis: Existem fusíveis de alta e baixa tensão de vários tipos, sendo
os mais importantes os limitadores de corrente, cujo princípio está apresentado
na Figura 4.3.
Disjuntor de alta tensão: É um elemento do sistema que isola a parte
afetada através da interrupção da corrente de curtocircuito.
A corrente de curto-circuito é várias vezes superior à corrente de carga
do equipamento (ou sistema) protegido. Disjuntores atuam na faixa de ciclos (2,
3, 5, ...ciclos), e quanto maior a sua velocidade de operação maior o seu custo.
Os disjuntores de alta tensão, quanto a seu tipo de extinção do arco e
sua atuação, podem ser classificados como:
• Ar comprimido
• Vácuo
• SF6 (hexa-fluoreto de enxofre)
• Pequeno ou grande volume de óleo
A partir do conhecimento dos componentes e equipamentos que
realizam as funções de proteção do sistema e das intensidades das correntes
de curto-circuito, podem ser realizados coordenogramas tempo x corrente
como o apresentado a seguir na Figura 4.4 que contém um coordenograma
tempo x corrente.
Os curtos-circuitos produzidos em sistemas elétricos são extremamente
perigosos e potencialmente fatais para as pessoas. O arco elétrico ocorre
quando os condutores das fases são curto-circuitados e a ionização do ar
ocorre. Quando isto acontece, o arco elétrico produz grande quantidade de
calor que pode queimar severamente a pele humana, tanto pelo contato direto
na região aquecida, quanto a distância devido ao calor emitido na forma de
radiação, e mesmo incendiar a roupa do pessoal envolvido com a instalação
elétrica. Metal líquido aquecido é ejetado do local em curto-circuito radialmente.
O arco elétrico produz um aquecimento tão forte por onde a corrente de
curto-circuito passa, num tempo extremamente curto, dando lugar a um
processo explosivo, com geração de ondas de choque de grande intensidade,
o que pode jogar as pessoas longe do local da falta.
Outros riscos a que fica exposto o pessoal envolvido com a falta e o
decorrente arco elétrico, são:
• Risco de choque devido ao toque nos condutores energizados;
• Gases em expansão produzidos pelo arco podem causar:
• A projeção de material sólido
• Ondas de pressão que podem tirar o equilíbrio de uma pessoa
• Ondas de som que podem provocar problemas de audição
• Luminosidade excessiva causada pelo plasma no arco elétrico que
pode causar cegueira temporária ou permanente
• Plasma do arco elétrico (com temperaturas da ordem de 19000 OC)
que pode causar fogo e queimaduras em seres humanos
• Metal vaporizado que pode se depositar em superfícies e condensar
em materiais frios
Quando um arco elétrico ocorre, o calor produzido pode danificar
equipamentos e causar ferimentos nas pessoas. A maior preocupação
corresponde ao ferimento produzido no seres humanos e é por este motivo que
programas de exposição dos trabalhadores são realizados com a finalidade de
ensinar os trabalhadores e reduzir ferimentos e fatalidades.
A Figura 5.1 apresenta um resumo do que foi comentado anteriormente.
Uma visualização da ocorrência de um arco elétrico produzido durante o
chaveamento de um circuito de força de baixa tensão, empregando manequins
para simular o ser humano, está apresentado na Figura 5.2, onde são
apresentadas nove etapas, a saber:
• Etapa 1: Pré-manobra.
• Etapa 2: Manobra.
• Etapas 3 até 7: Início curto-circuito com o desenvolvimento de
arco elétrico, ocorrendo rápida expansão do ar aquecido, ondas de
pressão, ondas sonoras, intensa luminosidade, projeção de partículas,
vapores de cobre, projeção de metal líquido.
• Etapas 8 e 9: Eliminação do arco elétrico pelas proteções.
A realização de tais ensaios visa determinar a intensidade sonora
produzida no ouvido humano, a pressão mecânica no peito do ser humano e as
temperaturas a que fica sujeito o ser humano em diversas regiões do corpo,
conforme apresentado na Figura 5.3.
6. Métodos de Cálculo de Efeitos de Arco Elétrico
Os métodos de cálculo normalizados empregam modelos de avaliação
da energia incidente, desenvolvidos de forma empírica para facilitar os
cálculos. As várias equações utilizadas são usualmente escritas em programas
para computador devido à impraticabilidade de resolvê-las à mão. O método
mais detalhado existente é o apresentado nas normas de procedência dos
Estados Unidos da América.
6.1. Método da IEEE Std 1584:2002
Os limites de aplicabilidade dos modelos matemáticos baseados em
análises estatísticas e ajustes de curvas descritos são os seguintes:
• Sistema trifásico
• Faixa de tensões 208 V–15 000 V
• Freqüência 50 ou 60 Hz
• Curto-circuito franco de 700 A–106000 A
• Aterramento de todos os tipos ou não aterrado
• Invólucro de equipamentos dos usualmente comercializados
• Espaçamento entre condutores de 13 mm até 152 mm
• Curto-circuito considerado envolvendo as três fases
Um modelo teórico baseado no artigo de Lee é aplicável para sistemas
trifásicos em subestações, sistemas de transmissão e distribuição ao tempo,
sendo voltado para aplicações onde os curtos-circuitos evoluem para o curtocircuito trifásico. Onde isto não ocorrer, o modelo fornecerá valores
conservativos. Da mesma forma, para sistemas monofásicos, este modelo
apresentará valores conservativos.
A Figura 6.1 contém uma visualização esquemática de um curto-circuito
trifásico franco (metálico) e de um arco elétrico em um sistema trifásico.
6.1.1. Corrente do Arco Elétrico
A corrente de arco presumida deve ser obtida de forma que o tempo de
operação dos equipamentos de proteção possa ser determinado. Para
aplicações com um sistema com tensão menor ou igual a 1000 V, deve ser
resolvida a equação (1):
1gIa=K +0.662 lgIbf + 0.0966V+ 0.000526G+ 0.5588V(lgIbf) – 0.00304G(lgIbf)
onde:
Ig logaritmo decimal (log10)
Ia corrente de arco (kA)
K –0.153 para configurações ao tempo e
–0.097 para configurações fechadas (em caixa)
Ibf valor eficaz simétrico da corrente de curto-circuito franco para faltas
trifásicas (kA)
V tensão do sistema (kV)
G é o espaçamento (gap) entre condutores apresentado na Tabela 6.1 (mm)
Para aplicações com tensões nominais maiores do que 1000 V, deve ser
resolvida a equação (2):
lg Ia = 0.00402 + 0.983 lg Ibf
Para sistemas de alta tensão não existe distinção entre configurações ao
tempo ou configurações em caixa.
6.1.2. Energia Incidente
Primeiro deve-se determinar a energia incidente normalizada.
Esta equação é baseada em dados normalizados para o tempo de uma
corrente de arco de 0,2 s e uma distância do possível local do arco para uma
pessoa de 610 mm.
lg En = K1 + K2 + 1.081 lg Ia + 0.0011 G
onde
En energia incidente (J/cm2) padronizada para tempo e distância
K1 –0.792 para configurações abertas (sem invólucro) e –0.555 para
configurações fechadas (equipamento encapsulado)
K2 0 para sistemas não aterrados e aterrados por alta resistência e –0.113
para sistemas aterrados
G espaçamento (gap) entre condutores da Tabela 6.1 (mm)
Finalmente, convertido da forma normalizada:
onde
E energia incidente por unidade de área (J/cm2)
Cf fator calculado, sendo
1,0 para tensões superiores a 1 kV, e
1,5 para tensões inferiores a 1 kV
En energia padrão incidente por unidade de área (J/cm2)
t tempo de duração do arco elétrico (s)
D distância do local possível do arco e a pessoa considerada (mm)
x expoente que correlacionado com a distância, obtido da Tab.6.1
Os outros casos são trabalhados matematicamente de forma similar.
A Figura 6.2 contém uma visão simplificada dos resultados obtidos a
partir do emprego deste método de cálculo.
6.1.3. Método de Lee
Para casos onde a tensão for superior a 15 kV ou o espaçamento (gap)
estiver for a dos limites do modelo, o método de Lee pode ser ajustado
teoricamente e aplicado.
Onde:
E energia incidente (J/cm2)
V tensão do sistema (kV)
T tempo de duração do arco (s)
D distância do local possível do arco e a pessoa considerada (mm)
Ibf corrente de curto-circuito franco (kA)
Para tensões superiores a 15 kV, a corrente de curto-circuito de arco é
considerada ser igual à corrente de curto-circuito franca.
6.1.4. Superfície de Proteção Contra Arco
O modelo numérico desenvolvido a partir de parâmetros empíricos está
apresentado a seguir.
Para o método de Lee tem-se:
Onde:
DB distância da superfície considerada para o ponto de arco (mm)
Cf fator de cálculo, sendo
1,0 para tensões maiores do que 1 kV, e
1,5 para tensões inferiores a 1 kV
En energia incidente por unidade de área normalizada (J/cm2)
EB energia incidente por unidade de área normalizada na superfície
considerada (J/cm2)
t tempo de duração do arco (s)
x expoente função da distância (Tabela 6.1)
Ibf corrente de curto-circuito franco (kA)
EB pode ser ajustada em 5,0 J/cm2 para a pele (sem proteção) ou para as
características nominais propostas para o EPI
6.1.5. Fusíveis Limitadores de Corrente
As equações para calcular a energia produzida pelo arco elétrico com o
emprego de fusíveis limitadores de corrente foram desenvolvidas através do
resultado de ensaios em 600 V, distância de 455 mm, correntes nominais na
faixa de menos do que 100 A até 2000 A e correntes de curto-circuito na faixa
de menos de 0,65 kA até 106 kA, para vários tipos de fusíveis.
E = 4.184 (–kf1 Ibf + kf2)
Onde:
Ibf corrente de curto-circuito franco trifásica simétrica eficaz (kA)
E energia incidente (J/cm2)
kf1 constante função do tipo de fusível
kf2 constante função do tipo de fusível
6.1.6. Disjuntores de Baixa Tensão
Foram desenvolvidas equações para sistemas que utilizam disjuntores
da baixa tensão que fornecem a energia incidente e a superfície de proteção
contra arco quando a corrente de curto-circuito franco é conhecida ou pode ser
calculada. Tais equações não necessitam do conhecimento das curvas tempo x
corrente, mas estas devem ser utilizadas na faixa apropriada. As equações que
fornecem a energia incidente e a superfície de proteção contra arco
apresentam a seguinte forma geral.
E ou DB = kd1 Ibf + kd2
Onde:
Ibf corrente de curto-circuito franco trifásica simétrica eficaz (kA)
E energia incidente (J/cm2)
DB distância da superfície considerada para o ponto de arco (mm)
kd1 constante função do tipo de fusível
kd2 constante função do tipo de fusível
As equações são definidas em função de correntes nominais na faixa de
100 A até 6300 A, correntes de curto-circuito na faixa de 700 A até 106 000 A,
do tipo do disjuntor e da tensão menor ou igual a 480 V e máxima de 690 V.
Os tipos de disjuntores considerados foram os em caixa moldada
(MCCB), caixa isolada (ICCB) e de baixa tensão (LVPCB), enquanto que os
tipos de disparadores podem ser termomagnéticos (TM), magnéticos (M),
eletrônicos (E), tempo longo (L), tempo curto (S), instantâneo (I) e tempo-longo
e instantâneo (LI).
6.2 – Método da NFPA 70E:2004
O método da NFPA 70E do ano 2004 refere a norma IEEE Std 1584
:2000 como base para os cálculos necessários, fazendo exemplos
simplificados para fácil entendimento.
No documento da NFPA está definido que cruzar a superfície de
proteção contra arco e entrar no espaço proibido é considerado como fazer
contato com condutores energizados expostos ou partes dos circuitos,
conforme apresentado na Figura 6.3. Entretanto, pessoas qualificadas devem
fazer o que segue:
1. Trabalhar em condutores energizados ou partes dos circuitos por
terem realizado treinamento específico para tanto;
2. Apresentar planejamento documentado justificando a necessidade de
trabalhar em tal proximidade;
3. Realizar análise de risco;
4. Apresentar os itens 2 e 3 aprovados pela gerência autorizada;
5. Usar EPI apropriado para trabalhar em condutores energizados
expostos ou parte do circuito, sendo apropriado para a tensão e nível de
energia considerado.
Quanto ao tipo e emprego de EPI adequado para riscos associados ao
arco elétrico, a NFPA 70E apresenta uma Tabela correlacionando a “categoria
de risco ou ferimento (de 0, mínimo, para 4, máximo)”, os “sistemas típicos de
proteção (indicando o número de camadas de roupas a serem usadas)” e a
respectiva “suportabilidade mínima do EPI contra arco elétrico (em J/cm2 e
cal/cm2)”.
7 – Programas Comerciais (softwares) Existentes
Considerando a existência de vários programas comerciais, utilizados
em microcomputadores pessoais, para avaliação e análise dos riscos e EPI’s a
empregar como proteção contra o arco elétrico, apresentam-se a seguir alguns
aspectos a considerar na seleção e aplicação dos mesmos. Salienta-se que os
programas apresentados não são os únicos existentes no mercado.
7.1 – Avaliação de funções [87]
Para a realização de um estudo do risco e dos EPI’s a serem
empregados para proteção contra arcos elétricos, vários itens devem ser
considerados, pois a análise deve ser realizada em associação ou como
continuação dos estudos de curto-circuito e de coordenação da proteção. Os
passos para a realização de tal estudo, considerando uma instalação nova,
consideram os itens apresentados na Tabela 7.1.
Os programas para microcomputador serão avaliados em termos da
realização de todas as funções, sendo considerados plenamente adequados
quando realizarem os nove passos apresentados.
Observe-se que os fabricantes de EPI’s resistentes a arco, têm
fornecido, livremente, calculadoras que permitem determinar a energia
incidente e o respectivo EPI a ser empregado. Obviamente tais programas não
atendem todos os passos para uma análise do sistema elétrico da instalação
considerada.
A própria norma IEEE Std 1584:2002 fornece um software, realizado em
EXCEL, que calcula as equações da norma para situações específicas,
estando as telas apresentadas na Figura 7.1
Para utilização do software da IEEE Std 1584, devem ser fornecidas
informações do tipo: nome do barramento; nome do equipamento de proteção;
tensão nominal do barramento; corrente de curto-circuito franco na barra;
corrente de curto-circuito franco no equipamento de proteção; corrente de arco
no equipamento de proteção; tempo de retardo do dispositivo de proteção;
tempo de abertura do disjuntor; aterramento do sistema; tipo de instalação do
equipamento e espaçamento entre eletrodos. Com base nas informações
fornecidas ao software, são retornadas as seguintes informações: superfície
limite; distância de trabalho; energia incidente e classe do EPI resistente ao
arco elétrico.
Existem softwares mais antigos, escritos em DOS, realizados por
empresas de energia elétrica como a DUKE Power, Figura 7.2, os quais
somente empregam as equações as equações disponíveis e as resolvem. A
entrada de dados para o cálculo é realizada linha por linha, sendo o único
resultado apresentado à energia incidente. Na Figura 7.2 se apresenta o
aspecto de tal software.
O software exemplificado a seguir é de um fabricante brasileiro de EPI’s
específicos para proteção de trabalhadores contra arcos elétricos, o qual
emprega como referência de cálculo a NFPA70E. As informações para cálculo,
os resultados e as instruções para emprego, estão apresentadas na Figura 7.3.
Os resultados de saída do software correspondem a vestimentas de
proteção.
A ESA, fabricante de software de grande porte para cálculo de risco devido ao
arco elétrico, apresenta no seu site [I2], uma calculadora simplificada que
permite definir o EPI adequado contra os efeitos do arco elétrico, Figura 7.4. No
mesmo site, informa que tal calculadora é apenas demonstrativa, não devendo
ser empregada para fins de especificação de EPI’s.
As opções na Drop Down Box são: Switchgear, open air bus, conductor,
MCC, panel, switchboard, NEMA E2 Contractor, Int switch, VFD, UPS, ATS and
other. Entre os softwares completos, que atendem os nove itens
simultaneamente, um deles é o ETAP. Inclusive acrescenta a elaboração de
etiquetas de advertência para serem empregadas junto aos equipamentos,
informando dos riscos e EPI’s apropriados a serem utilizados pelos eletricistas
que lidam com tais equipamentos. Um exemplo geral de telas e das
interconexões entre módulos do software se encontra na Figura 7.5.
Outro software que realiza as nove funções indicadas na Tabela 7.1 é o
da EASY POWER, cujos módulos são divididos e conectados entre si, para
permitir a análise do risco devido ao arco elétrico. Os módulos são referentes
ao diagrama unifilar, curto-circuito, coordenação da proteção e risco devido ao
arco elétrico. A Figura 7.6 ilustra tal software.
Os valores dos softwares se situam na faixa de baixo custo para o tipo
calculadora, na ordem de US$ 995 até US$ 4495 para uma licença do software
de capacidade até 300 barras que executam a avaliação dos riscos
decorrentes do arco elétrico, integrando funções de diagrama unifilar, curtocircuito e coordenação da proteção [I5].
8 - EPI´s para proteção contra arcos elétricos
No Brasil não existe normalização explícita em termos de riscos
específicos contra os efeitos térmicos do arco elétrico. O Ministério do Trabalho
apresenta duas Normas Regulamentadoras envolvendo instalações elétricas, a
saber: a NR 10 - Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade [78] e a
NR 6 – Equipamento de Proteção Individual [79].
A NR 10 é explícita em termos de proteção contra choque elétrico,
apresentando inclusive tabela de espaçamentos de segurança a serem
observados em termos do nível de tensão que está sendo considerado. Não
apresenta aspectos explícitos quanto aos efeitos e conseqüências do arco
elétrico, entretanto, por segurança, apresenta a seguinte afirmação que supera
esta deficiência: “observando-se as normas técnicas oficiais estabelecidas
pelos órgãos competentes e, na ausência ou omissão destas, as normas
internacionais cabíveis”.
A NR 6 define EPI’s tipicamente para proteção contra choques elétricos
e contra riscos de origem térmica, como segue.
Capacete de segurança: para proteção contra choques elétricos;
Capuz de segurança: para proteção do crânio e pescoço contra riscos
de origem térmica;
Óculos de segurança para proteção dos olhos: contra impactos de
partículas volantes, para proteção contra luminosidade intensa, para proteção
contra radiação ultravioleta, para proteção contra radiação infravermelha;
Protetor facial de segurança para proteção da face: contra impactos
de partículas volantes, para proteção contra radiação infravermelha, para
proteção contra luminosidade intensa.
Protetor auditivo
Respirador purificador de ar
Vestimentas de segurança para proteção do tronco: que ofereçam
proteção contra riscos de origem térmica, mecânica e radioativa.
Luva de segurança para proteção das mãos (membros superiores):
contra choques elétricos e contra agentes térmicos.
Manga de segurança para proteção do braço e do antebraço
(membros superiores): contra choques elétricos e contra agentes térmicos.
Calçado de segurança para proteção dos pés (membros inferiores):
contra choques elétricos e contra agentes térmicos.
Perneira de segurança para proteção da perna (membros
inferiores): contra agentes térmicos.
Calça de segurança para proteção das pernas (membros inferiores):
contra agentes térmicos.
Macacão de segurança para proteção do tronco e membros
superiores e inferiores (proteção do corpo inteiro): contra agentes térmicos.
Conjunto de segurança (proteção do corpo inteiro): formado por
calça e blusão ou jaqueta ou paletó, para proteção do tronco e membros
superiores e inferiores contra agentes térmicos.
Considerando que o arco elétrico produz efeitos mecânicos (pressão,
ondas de choque, emissão de partículas, ondas sonoras e rápida expansão do
ar) e efeitos térmicos (vapores metálicos, metal em fusão, radiação térmica,
ondas infravermelha, ultravioleta e raios X), pode-se dizer que a NR 6
subentende a indicação da aplicação de EPI resistente ao arco elétrico.
Entretanto, não explicita a forma de especificar tal EPI, havendo a necessidade
de realizar tal definição com base em normas internacionais.
Deve-se observar, entretanto, que a segurança do trabalhador é
realizada através de uma série de itens como indicado de forma compacta na
Figura 8.1.
Existem no mercado vários fabricantes de EPI’s resistentes ao arco
elétrico, sendo, na maioria das vezes, o material resistente à chama (flame
resistant) empregado para categoria de risco ou ferimento 1 a 4, usualmente
importado, conforme Tabela 8.1, (adaptada e traduzida da NFPA 70E),
referente ao tipo e emprego de EPI adequado para riscos associados ao arco
elétrico.
Uma visão de tais equipamentos de proteção individual está na Figura
8.2, apresentada a seguir.
]
Para minimizar os efeitos do arco elétrico sobre os seres humanos,
podem ser empregados instrumentos de segurança, tais como os apresentados
a seguir:
9 - ensaios em EPI´s para Proteção Contra Arcos elétricos
As principais normas para ensaios de vestimentas e matérias resistentes
aos efeitos térmicos produzidos pelo arco elétrico são a IEC, ASTM, IEEE e
NFPA, sendo normas dedicadas somente aos ensaios a IEC e ASTM.
9.1 - Norma ASTM F1959/F1959m-05A Copyright 2006 [85]
A norma ASTM F1959/F1959M-05a Standard Test Method for
Determining the Arc Thermal Performance Value of Materials for Clothing
(Método de Ensaio Padronizado para Determinação do Real Desempenho
Térmico ao Arco de Materiais para Vestimentas), apresenta um método de
ensaio para medir os valores nominais do arco de materiais pretendidos para
uso como vestimenta resistente à chama para trabalhadores expostos ao arco
elétrico que podem produzir fluxos térmicos de 84 até 25120 kW/m2 (2 até 600
cal/cm2). Os materiais empregados no ensaio são amostras planas.
No método de ensaio serão empregadas medições e descritas as
propriedades dos materiais, produtos ou montagens em resposta à energia
convectiva e energia radiante produzidas pelo arco elétrico sob condições
controladas de laboratório.
A norma não lida com aspectos de segurança, se existentes, associados
com o seu emprego, sendo responsabilidade do usuário estabelecer aspectos
práticos de segurança e saúde e aplicar a legislação pertinente.
Esta norma é nomeada como uma active standard, o que significa que é
a versão corrente, versão oficial de uma norma ASTM, substituindo as versões
históricas anteriores de tal norma.
9.2 - norma IEC 61482-1:2002
A parte 1 da IEC 61482 especifica os métodos de ensaio para medir o
desempenho de materiais diante do arco elétrico, empregados em vestimentas
resistentes ao calor e ao arco elétrico para os trabalhadores expostos ao arco
elétrico.
Os métodos de ensaio medem o desempenho de materiais resistentes
ao efeito térmico do arco que apresenta os seguintes requisitos: menos de 100
mm de comprimento de carbonização e menos do que 2 s após removido da
chama, quando ensaiados de acordo com a ISO 15025, procedimento B
(ignição no limite inferior) no material externo.
Os materiais empregados nestes métodos são em forma de amostras
planas para o método A e camisas para o método B.
O método A é empregado para medir a resposta do tecido para a
exposição ao arco quando ensaiado em configuração plana.
O método B é empregado para medir a resposta de vestimentas
expostas ao arco, incluindo costuras, fechos, tecidos e outros acessórios
quando ensaiado em um torso de manequim.
9.2.1 - método A – montagem de três painéis com dois sensores
O método A se refere à realização de três painéis construídos com
materiais resistentes à chama e localizados a 120o entre si. Em adição, cada
painel com dois sensores deve ter dois sensores de monitoramento. Um sensor
de monitoramento deve ser posicionado em cada lado do painel de dois
sensores, como mostrado na Figura 9.1.
9.2.2 - método B – utilização de manequins
O método B utiliza o torso de manequins masculinos de tamanho grande
(largura do peito 1 067 mm ±25 mm) instrumentados localizados a 120o entre
si. Em cada manequim são colocados dois sensores para monitoramento do
ensaio.
9.3 - Norma IE Std 1584:2002
Os pesquisadores têm realizado diversos programas de ensaio em
laboratórios de alta potência visando desenvolver e compreender as
características do arco elétrico e da energia incidente resultante;
também têm se esforçado na construção de uma base de dados que possa ser
empregada para desenvolver equações empíricas ou para verificar as
equações baseadas no modelo físico. A norma inclui a descrição de todos os
programas de ensaios e uma coleção de informações sobre tais ensaios que
foram utilizadas para desenvolver o Guia do IEEE.
Três tipos básicos de ensaios foram empregados para tal avaliação,
conforme segue:
A)
Arco elétrico monofásico no ar com eletrodos alinhados, como
apresentado na Figura 9.2.
B)
B) Arco elétrico trifásico no ar com eletrodos ligados em paralelo, como
apresentado na Figura 9.3.
C) Arco elétrico trifásico com eletrodos ligados em paralelo dentro de
uma caixa, como apresentado na Figura 9.4.
O método de ensaio para determinar a habilidade dos materiais
proverem proteção contra o arco elétrico está definida na ASTM F-1959-99. A
norma ASTM é a base para os ensaios de energia incidente descritos na IEEE
1584. Considera-se que a ASTM permita definir se determinado material de
vestimenta pode suportar a energia incidente até o ponto em que exista 50%
de probabilidade de que a pele sob o material sofra uma queimadura de
segundo grau. A metodologia de ensaio trabalha igualmente bem para
determinar a energia incidente para a qual um trabalhador possa ser exposto
em termos do arco elétrico em uma instalação específica. Os resultados dos
dois tipos de ensaios são complementares.
Para cada ensaio de energia incidente, um vetor de sete calorímetros de
cobre são localizados em frente dos eletrodos do ensaio, em uma distância D
da linha de centro dos eletrodos. Um conjunto de três calorímetros é localizado
em uma fileira horizontal na mesma altura das pontas dos eletrodos. Um
segundo conjunto de três calorímetros é instalado em uma fileira horizontal a
152mm abaixo das pontas dos eletrodos. Os calorímetros em cada conjunto
são alinhados com o eletrodo do centro. Um único calorímetro é instalado a
152mm acima do terminal do eletrodo do centro.
A energia incidente é determinada por cálculo baseado na elevação de
temperatura dos calorímetros de cobre, montados em frente dos eletrodos. As
informações da elevação de temperatura do calorímetro de cobre, em graus
Celsius, são convertidas para a energia incidente em J/cm2 pela multiplicação
da temperatura por 0,565. As medições de absorção do sensor têm
determinado que a energia absorvida é igual ou maior do que 90% da energia
incidente para calorímetros de cobre. Entretanto, as energias incidentes e
absorvidas são consideradas equivalentes, e o termo energia incidente é
empregado.
A fim de simular o equipamento elétrico, condutores de cobre duro, com
diâmetro de 19,05mm, são empregados como eletrodos de arco em todos os
casos. Os eletrodos são tipicamente verticais em uma configuração plana com
espaçamento entre eles. Os arcos são iniciados por um fio de bitola 10 AWG
ligado às terminações dos eletrodos. Em todos os ensaios é necessário instalar
blocos isolados de suporte entre eletrodos adjacentes para prevenir que os
eletrodos verguem para fora devido às forças extremamente elevadas criadas
pelas correntes do arco elétrico.
A corrente de curto-circuito metálico disponível nos terminais do ensaio é
medida na interligação dos eletrodos em conjunto na parte superior da
montagem. As durações de todos os ensaios envolvendo arcos elétricos são
selecionadas para minimizar os danos no conjunto dos equipamentos que
constituem o ensaio e para permitir uma elevação de temperatura mensurável
nos calorímetros.
As correntes e tensões de fase foram medidas digitalmente e os valores
eficazes (RMS) foram calculados. A potência do arco foi calculada pela integral
do produto das correntes de fase pelas tensões e somado os resultados. A
energia do arco foi calculada pela integração da potência do arco pela duração
do arco. Tipicamente, todo o processamento dos dados medidos foi realizado
usando as funções residentes no osciloscópio digital.
Visando reduzir o impacto da variabilidade do arco elétrico, múltiplos
ensaios foram conduzidos em cada conjunto de ensaio. Sabendo-se que a
duração do arco varia ligeiramente de ensaio para ensaio, um fator de correção
do tempo de duração foi aplicado aos dados de elevação de temperatura dos
sete sensores dos calorímetros de cobre para assegurar que cada energia
incidente de arco registrada fosse baseada em uma duração de arco de 200m.
Para cada um dos programas de ensaio, a média da energia incidente
para os sete sensores e a média da máxima energia incidente registrada por
um único sensor foram calculadas para cada ensaio. Nos ensaios monitorados
pelo comitê, cada um deles foi registrado separadamente, sendo a média e a
máximas energias incidentes registradas.
9.4 - Norma NFPA 70E:2004
A norma NFPA 70E:2004 não apresenta método de ensaio próprio,
valendo-se principalmente das normas ASTM existentes para ensaio de tecidos
resistentes ao arco elétrico.
10 – Conclusão
Pretendeu-se com esta monografia discutir e aprofundar o conhecimento
sobre o assunto de segurança pessoal no que se refere aos efeitos do arco
elétrico.
Sabe-se que o assunto mais citado quando do emprego da eletricidade é
o choque elétrico, sendo o assunto ferimentos ou morte devido ao arco elétrico,
ainda algo pouco conhecido.
Considerando os diversos efeitos produzidos pelo arco elétrico, verificase que resta estudar uma série deles. Os principais efeitos estão listados na
Tabela 10.1, com comentários dos estudos necessários para aumentar o
conhecimento sobre o assunto.
A partir da Tabela 10.1, verifica-se que pouco foi realizado ou divulgado
nos itens em que se supõe que o EPI seja eficiente. Pouco ou nada da
eficiência dos EPI para tais assuntos foi divulgado, necessitando maiores
pesquisas e divulgação dos resultados.
Outro aspecto de extrema importância é o de que os métodos de cálculo
apresentados nas normas são baseados em métodos semi-empíricos, ou seja,
uma quantidade significativa de informações é buscada em ensaios e
transposta para equações. Conforme visto nesta monografia, métodos
analíticos podem ser aprimorados/desenvolvidos para predizer os efeitos do
arco elétrico no ser humano, seja com a pele do ser humano exposta
diretamente, seja com o emprego de vestimentas de várias camadas.
Conhecendo-se as propriedades dos diversos materiais que compõem as
vestimentas à prova de arco elétrico e da pele, podem ser desenvolvidos
modelos matemáticos para predizer, com segurança e confiabilidade, os efeitos
térmicos do arco elétrico na pele.
É importante enfatizar que o consenso normalizado de segurança para o
ser humano, em todas as normas é que o dano ou ferimento resultante no ser
humano seja limitado a uma queimadura de segundo grau. Por exemplo, a
NFPA70E define a distância de um arco aberto para limitar os danos à pele
humana para uma queimadura curável de segundo grau [menos do que 80 oC
na pele] ao ar livre.
Apesar da existência da NR10, verificou-se por experiência própria [84] e
troca de informações com docentes das Instituições de Nível Médio e Superior,
que nada ou quase nada foi realizado em termos de segurança de Laboratórios
de Ensino das diversas disciplinas relativas à eletricidade, não sendo prestadas
informações aos alunos ou acadêmicos, muitas vezes sem nenhum
conhecimento dos perigos da eletricidade. Assim sendo é importante que
sejam desenvolvidos Manuais de Segurança no Uso de Laboratórios de
Eletricidade, constando no mínimo dos seguintes itens:
1. Introdução
2. A NR 10 Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade
3. O choque elétrico
4. Os perigos do choque elétrico
5. O arco elétrico
6. Os perigos do arco elétrico
7. Procedimentos de segurança no uso do laboratório
8. Procedimentos de socorro
9. Onde obter socorro
10. Leituras recomendadas
Tais manuais devem ser divulgados aos acadêmicos em disciplinas do
tipo Introdução à Engenharia e sempre relembrados quando da realização de
experimentos envolvendo eletricidade.
Observa-se que mesmo indústrias de porte desconhecem ou pouco
conhecem dos requisitos da NR 10 em termos de segurança dos seus
empregados que lidam com eletricidade, seja em termos de choque elétrico,
seja em termos dos danos possíveis aos seus empregados pelo arco elétrico.
Finalmente, é importante ressaltar a necessidade de verificar a
segurança das instalações elétricas visando quantificar e avaliar os perigos que
envolvem o arco elétrico, garantindo-se a integridade física do ser humano.
Autores:
Guilherme Alfredo Dentzien Dias é engenheiro eletricista, Mestre e
Doutor pela universidade Federal do rio Grande do sul, com especialização em
sistemas elétricos de Potência e em engenharia de segurança com a
monografia “riscos para o ser humano devido ao Arco elétrico”. É avaliador
líder (lead Assessor) da Associação rede de metrologia e ensaios do rio
Grande do sul;
César Antônio leal é MSc e PhD em engenharia nuclear pela
universidade da Califórnia, Berkeley, consultor em Análise de riscos industriais
e engenharia de segurança do trabalho, ex-professor da universidade Federal
do rio Grande do sul, atual gerente do escritório de Porto Alegre da det norske
Veritas