CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
LEONARDO BONFADA GÜTLER
ABORDAGEM SOBRE MÉTODOS DE CÁLCULO DE ENERGIA INCIDENTE: ESTUDO DE CASO
Ijuí 2019
ABORDAGEM SOBRE MÉTODOS DE CÁLCULO DE ENERGIA INCIDENTE: ESTUDO DE CASO
Projeto de pesquisa apresentado como requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Professora Me. Caroline Daiane Radüns
Ijuí 2019
ABORDAGEM SOBRE MÉTODOS DE CÁLCULO DE ENERGIA INCIDENTE: ESTUDO DE CASO
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 20 de dezembro de 2019
Prof. Caroline Daiane Radüns Mestre pela Universidade de Passo Fundo - Orientador Prof. Caroline Daiane Radüns Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA
Prof. Caroline Daiane Radüns (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade de Passo Fundo Prof. Eliseu Kotlinski (UNIJUÍ) Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria
Dedico este trabalho a minha família, fonte de amor e inspiração.
necessário;
A minha orientadora Prof.ª Caroline Radüns, pelo aprendizado, atenção e apoio; Aos meus colegas e amigos pelos bons momentos de estudos e descontração;
Aos professores do curso de Engenharia Elétrica da UNIJUI pelo companheirismo e por todo conhecimento transmitido.
caso. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade
Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2019.
Em qualquer serviço envolvendo energia elétrica a segurança do trabalhador e o cuidado com a vida vem em primeiro lugar. Nem sempre é possível realizar uma intervenção em uma instalação elétrica com ela desenergizada, portanto os trabalhos realizados em instalações energizadas devem ser sempre acompanhados por medidas de segurança capazes de mitigar os riscos existentes. Um dos principais riscos associados é a energia incidente oriunda de um arco elétrico na instalação. O presente trabalho tem por objetivo apresentar o fenômeno do arco elétrico, suas características físicas, categorias de roupas de proteção, métodos matemáticos para o cálculo de energia incidente e apresentar as normas vigentes que tratam sobre arco elétrico. Por fim é aplicada a metodologia para determinar os níveis de energia incidente em uma instalação real e são propostas ações de melhoria no sistema.
ABSTRACT
GÜTLER, L. B. Approach to incident energy calculation methods and case study. 2019. Completion of course thesis. Electrical Engineering Course, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2019.
In any service involving electricity, worker safety and care of life come first. It is not always possible to perform intervention on a de-energized electrical installation, so work on energized installations must always be accompanied by safety measures that mitigate existing hazards. One of the main associated risks is the incident energy from an electrical arc in the facility. The present academic work aims to present the electric arc phenomenon, its physical characteristics, protective clothing categories, mathematical methods for the calculation of incident energy and to present the current norms that deal with electric arc. In the end, the methodology to determine the incident energy levels in a real installation is applied and system improvement actions are proposed
Figura 2 - Transferência de calor durante um arco elétrico...24
Figura 3 - Posicionamento dos manequins...25
Figura 4 - Manequim envolto por chamas decorrentes do arco elétrico...26
Figura 5 - Resultados obtidos através dos sensores...26
Figura 6 - Perfil da corrente de curto-circuito...27
Figura 7 - Regra dos Nove...30
Figura 8 - Classificação das queimaduras...31
Figura 9 - Curva de Stoll...32
Figura 10 - Diagrama fasorial da tensão e corrente para diferentes comprimentos de arco...36
Figura 11 - Testes realizados em configuração aberta (esquerda) e aberta (direita)...38
Figura 12 - Energia Incidente para as configurações aberta e fechada em função da corrente de falta...39
Figura 13 - Fluxograma para o cálculo de energia incidente segundo a IEEE-1584...45
Figura 14 - Diagrama unifilar simplificado da instalação...52
Figura 15 - Coordenograma atual da instalação (esquerda) e diagrama unifilar (direita)...58
Quadro 2 - Categoria de perigo/risco...34 Quadro 3 - Quadro resumo dos métodos de cálculo de energia incidente...46 Quadro 4 - Passos para cálculo da energia incidente e determinação da distância segura de aproximação...50
Tabela 3 - Comparação entre arco elétrico e fogo repentino...23
Tabela 4 - Potência do Arco x Distância...37
Tabela 5 - Limites de aplicação do método IEEE 1584...41
Tabela 6 - Classes de equipamentos e distâncias de trabalho...43
Tabela 7 - Tempos típicos de operação de disjuntores em 60 Hz...43
Tabela 8 - Fator "x" e distância entre condutores para tipos de equipamentos e classes de tensão...44
Tabela 9 - Limites de aplicação dos métodos...46
Tabela 10 - Fatores de Demanda para Iluminação e Tomadas Carga mínima e fatores de demanda para iluminação e tomadas...53
Tabela 11 - Fatores de Demanda para climatização – Comercial...54
Tabela 12 - Resultados dos cálculos de energia incidente para as barras estudadas...59
ANSI American National Standards Institute ASTM American Society for Testing and Material ATPV Arc Thermal Protection Value
CCM Centro de Controle de Motores CFOI Census of Fatal Occupational Injuries CLT Consolidação das Leis Trabalhistas EBT Breakopen threshold energy
EPI Equipamento de Proteção Individual EUA Estados Unidos da América
IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers FUNCOGE Fundação Comitê de Gestão Empresarial MTE Ministério do Trabalho e Emprego NFPA Natinoal Fire Protection Association NR-6 Norma Regulamentadora 6
NR-10 Norma Regulamentadora 10
RIC Regulamento Interno de Consumidores SEP Sistema Elétrico de Potência
cal/cm² Calorias por centímetro quadrado
kA Quiloamper
kg Quilograma
kW Quilowatt
ms Milissegundo
V Volt
V/cm Volt por centímetro
1.1 OBJETIVOS ... 19
1.1.1 Objetivo Geral ... 19
1.1.2 Objetivo Específico ... 19
2O FENÔMENO DO ARCO ELÉTRICO E A ENERGIA INCIDENTE ... 20
2.1 O ARCO ELÉTRICO ... 20
2.1.1 O Arco Elétrico Como Elemento do Circuito ... 21
2.1.2 Energia Incidente ... 22
2.1.3 Causas e Efeitos do Arco Elétrico ... 24
2.1.4 Estudo de Curto Circuito ... 26
2.1.4.1 Período Subtransitório ... 27
2.1.4.2 Máximo Valor Instantâneo Possível da Corrente de Curto-Circuito (Ip) ... 28
2.1.4.3 Corrente de Curto-Circuito Simétrica Eficaz Inicial (I”k) ... 28
2.1.4.4 Período Transitório ... 28
2.1.4.5 Corrente de Curto-Circuito de Interrupção (Ib) ... 28
2.1.4.6 Período Permanente ... 29
2.1.4.7 Corrente de Curto-Circuito em Regime Permanente (Ik) ... 29
2.2 VESTIMENTAS ANTICHAMAS ... 29
2.2.1 Tolerância do Tecido Humano às Queimaduras... 29
2.2.2 Determinação das Vestimentas Antichamas... 32
2.3 MÉTODOS DE CÁLCULO DE ENERGIA INCIDENTE ... 35
2.3.1 Método de Ralph Lee ... 36
2.3.2 Método de Doughty-Neal ... 38
2.3.3 Método IEEE 1584 ... 40
2.3.3.1 Corrente de Curto-circuito ... 41
2.3.3.2 Energia Incidente Normalizada ... 42
2.3.3.3 Cálculo da Energia Incidente ... 43
2.3.3.4 Distância de Segurança ... 45
2.4 COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS ... 46
2.5 NORMATIVAS... 47
2.5.1 Normas Internacionais ... 47
4.2 ESTUDO DE CURTO CIRCUITO ... 55
4.3 BARRAMENTOS ... 56
4.4 DISJUNTORES ... 57
4.5 COORDENOGRAMAS ... 57
4.6 NÍVEIS DE ENERGIA INCIDENTE ... 58
4.7 ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 59
5CONCLUSÃO ... 61
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 63
ANEXO I - DIAGRAMA UNIFIILAR COMPLETO DA INSTALAÇÃO ... 66
ANEXO II - DIAGRMA UNIFILAR DA SUBESTAÇÃO ... 67
ANEXO III - PROGRAMA EM MATLAB PARA CÁLCULO DE NÍVEIS DE ENERGIA INCIDENTE ... 68
1 INTRODUÇÃO
Sempre que necessário realizar intervenções em instalações elétricas, boas práticas de saúde e segurança devem ser colocadas em primeiro lugar. Em um mundo ideal tais intervenções seriam realizadas com a instalação desenergizada, no entanto nem sempre é possível atender essa premissa devido a toda gama de atividades existentes. Dessa forma, medidas de segurança devem ser tomadas para prevenir e evitar riscos aos trabalhadores durante a execução das atividades.
Um dos principais riscos em atividades envolvendo eletricidade é o arco elétrico, mais especificamente a energia incidente oriunda dele. Tal energia é responsável por provocar problemas aos trabalhadores, como queimaduras, ferimentos por projeção de estilhaços, rompimento de tímpanos devido o ruído produzido e também pode levar o trabalhador envolvido a óbito.
A fim de evitar com que ocorram acidentes oriundas de um arco elétrico é que se faz necessário seu estudo, compreendendo sua natureza, como ele surge e dimensionando sua magnitude para, por fim, adotar as melhores formas de proteção para quem está suscetível aos danos causados por esse fenômeno.
A necessidade de medidas de controle para os riscos relativos a choques elétricos já é consenso entre os profissionais da área da eletricidade, portanto tem-se evoluído muito nos últimos anos no que se refere a legislações e normas técnicas que estabelecem procedimentos de trabalhos no que se refere a serviços em eletricidade. No Brasil, existem diretrizes e procedimentos chamadas de Normas Regulamentadoras (NRs), sendo classificadas de acordo com as características e atividades exercidas em cada trabalho. Tais normas passaram a ter cumprimento obrigatório em 1978, através da portaria nº 3.214, aplicadas a todos os trabalhadores regidos pela Consolidação das Leis do Trabalho (CLT).
Nesse contexto, a NR 10 tem o objetivo de estabelecer os requisitos e condições mínimas necessárias para a realização de serviços relacionados com a eletricidade. Ela passou por uma atualização em 2004, por meio da portaria nº 598 do Ministério do Trabalho e Emprego (MTE), tendo em vista que o número de acidentes envolvendo serviços em eletricidade continuava muito alto.
A Fundação COGE (Fundação Comitê de Gestão Empresarial), entidade sem fins lucrativos, desenvolve um importante trabalho sobre estatísticas de acidentes no setor elétrico, divulgando anualmente o Relatório de Estatísticas de Acidentes no Setor Elétrico Brasileiro. Na Tabela 1, tem-se o comparativo de dados de acidentes de trabalho entre os anos de 1999 e 2002.
Tabela 1. Dados comparativos de acidentes de trabalho envolvendo eletricidade.
Conforme esses dados, percebe-se que o número de trabalhadores envolvidos em acidentes fatais estava em um crescente, mostrando a ineficiência das normas vigentes até aquele momento. O novo texto trouxe condições de trabalho mais seguras já que contempla orientações e procedimentos desde as etapas de projeto, execução, operação e reformas, assim como as etapas de geração, transmissão, distribuição e o consumidor final. Inclui ainda, os serviços realizados em suas proximidades, observando as normas brasileiras e as normas técnicas e, na ausência destas, as normas internacionais (KASSEM, 2013).
No entanto, as alterações realizadas na NR 10 não se mostraram tão eficazes como o esperado. Em outro levantamento de dados realizado pela Fundação COGE, Tabela 2, fica evidente que não existe a tendência de redução de acidentes ao longo dos anos (2005-2010).
INDICADORES 1999 2000 2001 2002
1 - Nº de empregados (média) 111.166 101.720 97.320 96.248
2 - Horas-homem de Exposição ao
Risco 229.698.944 213.094.959 196.558.920 200.078.780
3 - Acidentados Típicos das Empresas
Acidentados com Afastamento 1.435 1.239 1.047 1.059
Acidentados sem afastamento 1.023 1.009 991 826
Total 2.458 2.248 2.038 1.885
Consequência Fatal 26 15 17 23
Taxa de Frequência 6,25 5,81 5,41 5,29
Taxa de Gravidade 903 686 763 905
4 - Tempo Computado Total (dias) 207.477 146.250 147.660 181.136
5 - Acidentados das Empreiteiras
Consequência Fatal 49 49 60 55
Muito tem-se evoluído no que diz respeito a normas e procedimentos no que se refere a serviços em eletricidade, no entanto os riscos associados ao arco elétrico ainda foram pouco explorados e carecem de mais atenção por parte dos agentes envolvidos.
Nos EUA, através do seu relatório anual de estatísticas com acidentes elétricos (Census
of Fatal Occupational Injuries - CFOI), contabilizou, nos últimos 22 anos (1992-2013) um
número de 5587 fatalidades envolvendo eletricidade, conforme Gráfico 1. Conforme a
Industrial Safety & Hygiene News, associa-se 80% dessas fatalidades a queimaduras
provocadas pela ação do arco elétrico. Cabe ressaltar que ao longo dos anos o número de
Indicadores Ano 2005 2006 2007 2008 2009 2010 1 - Nº de Empregados (média) 97.991 101.105 103.672 101.451 102.766 104.857 2 - Horas-homem de exposição ao risco 196.523 200.219.744 201.981.289 203.945.395 201.104.170 207.109.916 3 - Acidentados Típicos das empresas Acidentados com afastamento 1.007 840 906 891 781 741 Acidentados sem afastamento 1.026 918 897 901 763 651 Total 2.003 1.758 1.803 1.752 1.544 1.392 Consequência Fatal 18 19 12 15 4 7 Taxa de Frequência 5,12 4,20 4,49 4,17 3,58 3,59 Taxa de gravidade 759 719 538 568 238 337 4 - Tempo Computado Total (dias) 149.252 144.018 108.756 115.748 47.920 69.853 5 - Nº de empregados das Contratadas (média) 89.283 110.871 112.068 126.333 123.704 127.584 6 - Acidentes das Contratadas Consequência Fatal 57 74 59 60 63 72 7 - Acidentados da População Consequência Fatal 305 293 324 331 288 308 Fonte: FUNCOGE (2013)
fatalidades caiu significativamente, no entanto ainda representa um número expressivo. Além dos dados de acidentes fatais, os EUA ainda registram cerca de 2000 casos de queimaduras oriundas de acidentes envolvendo arco elétrico que dão entrada em hospitais do país.
No Brasil, a Fundação COGE apresenta a estatística do número de acidentados por arco elétrico dividido por área, entre os anos de 1999 e 2011. Percebe-se, na Gráfico 2, que a maioria dos acidentes estão atrelados à área da distribuição da energia elétrica.
A Associação Brasileira de Conscientização para os Perigos da Eletricidade (ABRACOPEL) ainda complementa essa informação ressaltando, em seu Anuário Estatístico Brasileiro dos Acidentes de Origem Elétrica (ano base 2017), que o total geral de mortes por
Fonte: Fire Protection Research Foundation (2015).
Fonte: FUNCOGE (2013) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 1990 1995 2000 2005 2010 2015
Fa
ta
lit
ies
Year
Gráfico 1. Número de acidentes fatais nos EUA envolvendo eletricidade (1992-2013).
0 2 0 2 0 4 4 3 0 1 0 0 0 0 0 2 0 3 2 2 1 2 4 4 2 1 12 15 21 16 30 40 27 27 32 31 26 18 16 5 3 1 1 1 1 1 2 0 0 0 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Geração Transmissão Distribuição Outros Gráfico 2. Estatísticas de morte por arco elétrico no Brasil (1999-2011).
acidentes de origem elétrica é de 627. Importante ressaltar ainda que esse número reflete apenas uma parcela do total de acidentes corridos, devido ao não registro de muitos acidentes.
Além de prejuízos para o trabalhador, acidentes representam custos para empresas no âmbito financeiro. Segundo Resende (2016), a Occupational Safety and Health Administration. (OSHA), em um trabalho de 2014, mostra que os custos de um colaborador que se acidenta giram em torno de 62.500 dólares, quando não fatal. Nesse cálculo não entram os custos indiretos, que podem levar a cifras ainda maiores. Em âmbito nacional, conforme dados da FUNCOGE (2010), foram gerados 558.824 horas de trabalho, perdidos em decorrência dos acidentes com lesão. Tais acidentes geraram um custo estimado, direta e indiretamente, de R$ 380 milhões.
Fica claro após a análise de todos os dados que as perdas geradas por acidentes de trabalho, sejam eles com consequências fatais ou temporárias, são significativas, tanto no aspecto humano, no caso de perda de vida, em sequelas decorrentes desse acidente, e até mesmo no aspecto econômico que impactam diretamente empresas e previdência social. Posto esse cenário torna-se cada vez mais evidente a necessidade de conscientização sobre os perigos do arco elétrico e da evolução das medidas necessárias para diminuir e eliminar os riscos associados.
1.1 OBJETIVOS 1.1.1 Objetivo Geral
Apresentar os conceitos de arco elétrico e energia incidente, bem como o cálculo da energia incidente e sua relação com a definição de equipamentos de proteção individual para riscos elétricos
1.1.2 Objetivo Específico
Realizar a revisão bibliográfica acerca da energia incidente, contemplando legislação e normas técnicas nacionais e internacionais, artigos e estudos prévios.
Determinar os métodos de cálculo de energia incidente.
Aplicar as metodologias em uma instalação real.
2 O FENÔMENO DO ARCO ELÉTRICO E A ENERGIA INCIDENTE
Dentre os riscos oferecidos pela eletricidade, o fenômeno do arco elétrico destaca-se como um dos mais danosos aos trabalhadores. Conhecer sua natureza física e energia incidente gerada durante um arco é fundamental para determinar os riscos advindo dele. O arco elétrico tem uma duração, normalmente, de menos de um segundo e se inicia quando a ionização do ar é suficiente para permitir a passagem da corrente elétrica. Conforme Ralph Lee (1982), uma vez iniciado o arco, a corrente percorre um caminho formado por gases metálicos gerados pela vaporização dos condutores, movimentando-se em alta velocidade, em torno de 100 m/s. Como resultado dessa passagem de corrente elétrica uma grande quantidade de energia é liberada na forma de calor e ondas de pressão devido a esse caminho apresentar uma resistência elétrica à passagem da corrente. Essa energia oferece uma série de riscos para as pessoas que estão nas proximidades, sendo que quanto mais perto da fonte do arco mais danosos serão os resultados. 2.1 O ARCO ELÉTRICO
De acordo com Lang e Neal (2007), as falhas que originam um arco elétrico estão associadas, geralmente, a curtos-circuitos podendo ser entre fases ou fase-terra, e que evoluem rapidamente para um curto-circuito trifásico. Seu comportamento é caótico, envolvendo rápida mudança na sua geometria devido a convecção, jatos de plasma e forças eletromagnéticas. A determinação da sua impedância se apresenta como uma dificuldade tendo em vista efeitos como a extinção e reignição, mudanças no trajeto, entre outros efeitos. As correntes elétricas criam forças de atração e repulsão sucessivas, movendo os jatos de plasma que por sua vez aumentam a nuvem de plasma em expansão que é empurrada para fora formando uma poeira de plasma que pode recombinar com outras moléculas, formando outros materiais. Além da poeira de plasma, pedaços dos eletrodos fundido também são jogados para fora, gerando uma chuva de materiais derretidos. A Figura 1 ilustra de modo simplificado o comportamento do arco elétrico.
Durante o estabelecimento do arco, a corrente começa a passar pelo ar ionizado gerando quantidades enormes de calor e expelindo de forma explosiva gotas fundidas do material condutor e estilhaços. Além desses riscos, o acidentado está exposto a grandes volumes de fumaça tóxica, luz extremamente intensa e uma onda pressão dos gases em expansão.
2.1.1 O Arco Elétrico Como Elemento do Circuito
Segundo Ralph Lee (2000), ao analisar o arco como um elemento do circuito, percebe-se que o nível de tensão tem grande influência no fenômeno. O vapor gerado durante o arco elétrico possui resistência muito superior ao metal em estado sólido, resultando, então, em uma queda de tensão ao longo do arco na faixa de 30 a 40V/cm, que é milhares de vezes maior do que no condutor sólido. A impedância do arco é puramente resistiva devido sua indutância ser desprezível, resultando em um fator de potência unitário. Em sistemas de baixa tensão apenas a diferença entre a tensão da fonte e a tensão do arco irá forçar a corrente de falta através da impedância total do sistema. Isso se deve ao fato de que a queda de tensão referente ao arco consome uma parte significativa da tensão fornecida ao circuito. Dessa forma, a corrente de falta tende a estar estabilizada para sistemas em baixa tensão.
Ainda, segundo Ralph Lee (2000), para circuitos com tensões mais elevadas, o risco torna-se maior. O comprimento do arco é consideravelmente maior, considerando a queda de
Figura 1. Comportamento físico do arco elétrico.
tensão de 40 V/cm. A estabilização se torna impossível devido ao fato de que o valor da queda de tensão se torna pouco representativo comparado com os níveis de tensão do sistema. Dessa forma, a ocorrência do arco elétrico nesses sistemas pode levar a novos curtos circuitos se o arco elétrico atingir outros circuitos ou equipamentos.
Para sistemas que possuam configurações fechadas, ou seja, onde existe um invólucro circundando os condutores, exemplo do painel elétrico, o confinamento do arco elétrico acarreta na diminuição da sua impedância e também a tensão do arco tende a ser menor, o que não se observa para configuração abertas. No entanto, esse tipo de sistemas provoca um aumento da energia térmica liberada, uma vez que ao confinar o arco a energia tende a se direcionar para a parte aberta resultando em um aumento na densidade energética fornecida pelo arco elétrico naquela direção. De acordo com Neal, Bingham e Doughty (1997), essa energia pode aumentar em 3 vezes para as configurações fechadas, dependendo da corrente de falta.
Conclui-se então que o nível de tensão terá grande influência na corrente de falta, uma vez que a tensão resultante será a diferença entre a tensão da fonte e a tensão do arco (30 – 40 V/cm). Configurações fechadas apresentam a vantagem de reduzir a impedância do arco elétrico, no entanto aumentam a transferência de energia na forma convectiva.
2.1.2 Energia Incidente
De acordo com Ralph Lee (2000), dentro os perigos apresentados durante a ocorrência de um arco elétrico, a energia incidente apresenta-se como o mais relevante, uma vez que ele é responsável pela maioria dos ferimentos aos trabalhadores expostos a um arco elétrico. Portanto é fundamental compreender os fatores que influenciam na sua intensidade além de conhecer as metodologias para determinar sua intensidade.
Segundo a norma norte-americana NFPA 70E - 2015 (Standard for Electrical Safety in
the Workplace), que visa estabelecer práticas de segurança para trabalhadores em contato com
serviços em eletricidade, a energia incidente oriunda de um arco elétrico é “a quantidade de energia impressa em uma superfície, a uma dada distância da fonte, gerada durante a ocorrência de um arco elétrico”. Já no Brasil a energia incidente é definida, pelo Ministério do Trabalho e Emprego, como parte da energia liberada como resultado do arco elétrico ou do fogo repentino que incide sobre determinado ponto de interesse, geralmente o trabalhador.
É fundamental ter conhecimento dos valores de energia incidente de determinada instalação para o correto dimensionamento das proteções adequadas para o trabalhador, geralmente expressas em cal/cm². Sabe-se que durante a ocorrência do arco elétrico a transmissão do calor oriundo da energia incidente ocorre principalmente por radiação, mas também por convecção e condução. A Tabela 3 mostra um comparativo dos riscos existentes entre o evento do arco elétrico e fogo repentino, proporcionando uma noção dos perigos e danos que os trabalhadores estão expostos.
Tabela 3. Comparação entre arco elétrico e fogo repentino.
Nota-se que a energia incidente no caso de um arco elétrico pode chegar a 100 cal/cm² uma vez que o fogo repentino alcança 30 cal/cm² para os piores casos. Outro ponto que se deve atentar é o tempo em que a energia é liberada. O arco elétrico tem uma duração muito menor comparada com o fogo repentino, com uma duração máxima de 1 segundo, já que o tempo de ocorrência do arco raramente ultrapassa esse valor.
Pode-se estimar a energia incidente devido ao arco elétrico utilizando-se parâmetros como: diagrama unifilar da instalação elétrica, tensão de alimentação, correntes de curto circuito, características dos sistemas de proteção das instalações elétricas (tempo de atuação da proteção), posição do trabalhador etc. (Ministério do Trabalho e Emprego, 2016). A Figura 2 ilustra didaticamente a transferência da energia radiante da fonte do arco elétrico para um objeto a uma distância r.
FATORES DE EXPOSIÇÃO A PERIGOS ARCO ELÉTRICO FOGO
REPENTINO
Gama Energética Total de Incidentes (cal/cm²) 2 para > 100 4 para 30
Percentual de Energia Radiante 90 30-50
Percentual de Energia Térmica Convectiva 10 50-70
Tempo de Exposição Potencial (segundos) 0,01 para > 1 1 para 15
Forças Concussivas Alta Variável
Quantidade de Ar Ionizado Presente Alta Moderado
Presença de Fumaça Sim Sim
Respingos de Metal Fundido Sim Não
Mecanismo de Recorrência Religar Reignição
O arco acontece entre os terminais 1 e 2, sendo delimitado a área As onde ocorre a movimentação do arco. A energia emitida é representada por Qs e a energia absorvida pelo corpo está indicado como Qo. Segundo Lee (1982), a energia se dá conforme a Equação 1.
Qo=QsxAs
4πr2 Ao (1)
Esse modelo proposto por Ralph Lee foi a primeira modelagem apresentada para a energia absorvida por um corpo a uma certa distância da fonte do arco elétrico.
2.1.3 Causas e Efeitos do Arco Elétrico
De acordo com Roscoe (2009), as principais causas ligadas ao surgimento de um arco elétrico, são:
Falha na isolação entre fase-fase e fase-terra devido a perda progressiva de isolamento causada por descargas parciais em isoladores e acúmulo de poeira, resultado em uma diminuição da resistência superficial.
Sobretensões transitórias devido a surtos de manobra diminuindo a isolação gasosa.
Aquecimento com micro descargas, provocando a ionização do ambiente devido ao aumento da resistência de contato entre conexões elétricas.
Figura 2. Transferência de calor durante um arco elétrico.
Intervenções inadequadas de manutenção e operação, sendo esta uma das principais causas de acidentes na indústria e no setor elétrico.
Todas essas falhas descritas anteriormente podem ser responsáveis pelo surgimento do arco elétrico e dos perigos inerentes a ele, destacando-se a energia incidente, já abordada no ítem anterior, como a mais perigosa. No entanto não se pode ignorar os outros efeitos do arco, uma vez que queimaduras não são o único problema gerado. Resende (2016), explica:
A elevada temperatura causa a expansão do ar ao redor do arco elétrico bem como a expansão do metal que constitui o condutor. O cobre, por exemplo, expande 67000 vezes o seu volume quando passa do estado sólido para gasoso. Os riscos associados a essa expansão são ondas de pressão, ruído de alta intensidade e projeção de estilhaços. As ondas de pressão podem facilmente chegar a uma magnitude de 105 Pascal, valor suficiente para arremessar um ser humano, causar rompimento dos tímpanos e colapsar os pulmões. A intensidade do ruído associado a esse fenômeno pode chegar a 160 dB. Ressalta-se que o máximo ruído de impacto tolerável pelo ouvido humano sem sofrer danos é 140 dB. Finalmente o material derretido é expelido para fora da região do arco e atinge uma velocidade de 1100 km/h, rápido o suficiente para que os estilhaços penetrem completamente no corpo humano. (RESENDE, 2016, p. 9)
No ano de 2000, Crnko e Dyrnes realizaram testes em dois manequins para determinar os danos causados por queimaduras, perda de audição, danos aos pulmões e fraturas. Os testes foram realizados em um painel de distribuição trifásico (CCM) de 480 V e corrente de curto circuito simétrica de 22,6kA. O sistema de proteção estava ajustado para interromper o arco em 6 ciclos (100ms). Os resultados foram colhidos através de sensores apropriados.
Primeiramente posicionou-se os manequins conforme Figura 3, um manequim mais próximo do painel e outro mais afastado, simulando o trabalhador que está executando a tarefa e outro que está supervisionando.
Figura 3. Posicionamento dos manequins.
O teste foi realizado com as condições de operação descrita anteriormente e medidas com os sensores. A ação do arco pode ser observada na Figura 4, onde o manequim mais próximo ao painel está envolto por chamas.
Figura 4. Manequim envolto por chamas decorrentes do arco elétrico.
A Figura 5 mostra os resultados obtidos para o manequim posicionado mais próximo ao painel.
Os pesquisadores concluíram que um trabalhador exposto a essas mesmas condições teria queimaduras incuráveis na face, pescoço e mãos, possível dano ao tímpano, podendo levar a surdez e pressão no peito que poderia atingir valores acima dos 600 kg, acarretando em danos severos a órgãos internos e os pulmões. (CRNKO; DYRNES, 2000).
2.1.4 Estudo de Curto Circuito
Quando ocorre uma falta no Sistema Elétrico de Potência (SEP), a corrente que circula é determinada pelas forças eletromotrizes internas das máquinas no sistema, por suas
Fonte: (CRNKO; DYRNES, 2000)
Figura 5. Resultados obtidos através dos sensores.
impedâncias e pelas impedâncias existentes no sistema entre as máquinas e a falta (BOCK, 2018). No momento da ocorrência de um curto-circuito na rede, ocorre um aumento do fluxo magnético no entreferro do gerador síncrono, reduzindo as reatâncias da máquina. Logo após o início do defeito, o fluxo reduz-se em virtude da força magnetomotriz da corrente na armadura, chamado de “reação de armadura”. Assim, distingue-se três períodos durante a ocorrência de uma falta, cujos tempos de duração dependem basicamente das constantes de tempo da máquina: período subtransitório, período transitório e período permanente. A forma de onde da corrente de curto-circuito está apresentada na Figura 6.
2.1.4.1 Período Subtransitório
Nesse intervalo está presente a participação dos motores no curto-circuito. Durante esse período, a corrente de contribuição dos motores é majorada devido a redução da reatância das máquinas, reatância subsíncrona, decorrente da saturação do circuito magnético. A duração do período subtransitório irá depender dos tipos de fontes conectadas ao sistema durante o curto-circuito (MARDEGAN, 2012).
Outro fator de contribuição para o período subtransitório está relacionada à componente de corrente contínua (CC) que aparece na corrente de falta (assimétrica) e que está relacionada à energia armazenada nas indutâncias do sistema no momento em que ocorre a falta. Essa assimetria dependerá de dois fatores, o valor da tensão no instante em que ocorre a falta e o valor de X/R do sistema (RESENDE, 2016).
Figura 6. Perfil da corrente de curto-circuito.
Durante o período subtransitório, dois valores de corrente são definidos e são importantes para a avaliação do curto-circuito na instalação.
2.1.4.2 Máximo Valor Instantâneo Possível da Corrente de Curto-Circuito (Ip) A partir desse valor de Ip, define-se:
Capacidade de estabelecimento de disjuntores de média e alta tensão;
Capacidade de estabelecimento de disjuntores de baixa tensão do tipo caixa aberta.
Correntes dinâmicas de barramentos de painéis e CCM.
2.1.4.3 Corrente de Curto-Circuito Simétrica Eficaz Inicial (I”k)
Corresponde ao valor eficaz da componente simétrica da corrente de curto-circuito no instante do evento (1/2 de ciclo). Através dele, define-se:
Capacidade de interrupção de disjuntores de baixa tensão e fusíveis;
Ajuste das funções de sobrecorrente instantânea (ANSI 50) dos dispositivos de proteção;
Cálculo da energia incidente para o curto-circuito máximo.
2.1.4.4 Período Transitório
Período seguinte, correspondendo a uma diminuição mais lenta da corrente de curto-circuito, até ser atingido o valor permanente desta corrente. Nessa etapa a corrente é menor que no período anterior e maior que no período seguinte. Nesse intervalo define-se:
2.1.4.5 Corrente de Curto-Circuito de Interrupção (Ib)
Valor eficaz de um ciclo da componente de corrente alternada ou corrente contínua da corrente de curto-circuito, no instante de abertura de circuito no polo do dispositivo de interrupção. Adotado para o estudo tempo de 5 ciclos (83,33 ms). Através de Ib, define-se:
Capacidade de interrupção de disjuntores de alta e média tensão;
2.1.4.6 Período Permanente
Essa é a última fase da corrente de curto-circuito e ela se estende até a interrupção da corrente. Nesse período somente a contribuição da concessionária permanece para o curto-circuito. A assimetria se encerra por completo devido ao fim do período transitório. Para sistema onde não há a presença de cargas motóricas e a relação X/R for muito baixa, a corrente permanece praticamente constante durante toda a duração da falta.
2.1.4.7 Corrente de Curto-Circuito em Regime Permanente (Ik)
É o valor eficaz da corrente quando somente a fonte contribui para a corrente de curto-circuito e o período transitório se encerrou por completo. O valor de Ik define:
Ajuste das funções de sobrecorrente temporizadas de relés de proteção;
Corrente térmica de disjuntores de alta, média e baixa tensão;
Cálculo da energia incidente para o curto-circuito mínimo.
2.2 VESTIMENTAS ANTICHAMAS
De acordo com a OHSAS (Occupational health and safety management systems), a utilização de Equipamentos de Proteção Individual (EPI) é a última medida da hierarquia de controle, porém, quando a análise de risco determinar necessária a utilização, esse deve ser especificado adequadamente.
É necessário conhecer conceitos e definições relacionados aos tipos de vestimentas existentes para proteção contra os efeitos térmicos provenientes do arco elétrico. Relacionar a capacidade do tecido de suportar o calor com o grau de proteção proporcionado pela roupa é crucial para o devido dimensionamento do equipamento de proteção.
2.2.1 Tolerância do Tecido Humano às Queimaduras
De acordo com o Ministério da Saúde (2012), as queimaduras são lesões decorrentes de agentes (tais como a energia térmica, química ou elétrica) capazes de produzir calor excessivo que danifica os tecidos corporais e acarreta a morte celular. Tais agravos podem ser classificados como queimaduras de primeiro grau, de segundo grau ou de terceiro grau.
Essa classificação leva em conta a profundidade do local atingido, a extensão, a localização, a idade da vítima, a existência de doenças prévias, condições agravantes e inalação de fumaça. Para queimaduras envolvendo arco elétrico as consequências podem ser com ferimentos de segundo e terceiro grau caso as medidas de proteção não forem adequadas. Neste caso utiliza-se a regra dos nove, criada por Wallace e Pulaski, que determina a superfície
corporal queimada (SCQ) aplicada a pessoas acima de 10 anos de idade. A Figura 7 apresenta
a divisão do corpo segundo essa regra.
Figura 7. Regra dos Nove.
A Figura 8 irá descrever os três graus de queimaduras existentes conforme a sua profundidade, avaliando o resultado estético e funcional da pele. Para tal são avaliadas apenas as áreas afetadas por queimaduras de segundo e terceiro graus.
Figura 8. Classificação das queimaduras.
Há ainda outro trabalho referente a queimaduras no corpo humano. Stoll e Chianta (1969), nas décadas de 1950-1960, estabeleceram a correlação entre a elevação da temperatura suportável pelo corpo humano e o tempo de exposição. Essa correlação ficou conhecida como curva de Stoll (Figura 9), e é utilizada como referência para padrões de testes da ASTM (American Society for Testing and Material) e da NFPA (National Fire Protection Association).
Figura 9. Curva de Stoll.
A curva superior apresenta os valores para tempo x temperatura para uma queimadura incurável, enquanto a curva inferior os valores para tempo x temperatura para queimaduras curáveis.
2.2.2 Determinação das Vestimentas Antichamas
A NFPA 70E - 2015 apresenta os requisitos norte-americanos para práticas seguras de trabalho em eletricidade que foram estabelecidas pelo Technical Committee on Electrical Safety
in the Workplace. Os requisitos para equipamentos de proteção individual remetem às normas
de ensaios e fabricação da American Society for Testing and Material (ASTM).
Internacionalmente há diferentes normativas que estabelecem requisitos para EPIs contra efeitos térmicos. O Quadro 1 mostra os normativos internacionais.
Quadro 1. Normativas Internacionais.
Nível EUA Internacional Europa França
Normas de
Segurança NFPA 70E - EM 50110 NF C-18510
Normas de produtos ASTM ANSI IEC ISO EN NF EN
Tanto as normas americanas quanto as internacionais estabelecem requisitos construtivos de ensaios e certificação e padrões que estabelecem os métodos de avaliação dos materiais.
As vestimentas são constituídas de tecidos especiais que tem o objetivo de evitar que os trabalhadores sofram queimaduras. Em 1999, a ASTM definiu o indicador ATPV (Arc Thermal
Protection Value) para medir a resistência desses tecidos contra o arco elétrico. O ATPV é
definido na ASTM F 1959-06 como a energia incidente sobre um material que resulta em uma probabilidade de 50% de que o calor transferido através de uma amostra do material resulte em queimadura de segundo graus, de acordo com a curva de Stoll.
Os ensaios das roupas antichamas para determinação do ATPV consiste na avaliação das estimativas de lesões causadas por queimaduras de segundo grau. Se em algum momento durante a realização do ensaio ocorrer danos no material, como orifícios, diz-se que correu
breakopen. A energia incidente que resulta em 50% de probabilidade de ocorrência de breakopen é chamada breakopen threshold energy (EBT – J/cm² ou cal/cm²). O valor de
resistência ao arco a ser informado na roupa deve ser o menor entre o ATPV e o EBT.
A NFPA 70E - 2015 ainda determina a utilização de EPIs com as seguintes características:
Vestimentas para arco elétrico: deve possuir fácil e rápida remoção por parte do usuário e deve estar adequada ao nível de energia incidente.
Proteção para a cabeça: Utilizar balaclava resistente a arco juntamente com protetor facial quando a região traseira do pescoço estiver exposta. O capuz carrasco deve ser usado quando a energia incidente exceder 12 cal/cm².
Proteção para a face: O protetor deve ter classificação adequada ao nível de energia incidente ao qual está exposto. Devem ser utilizados protetores faciais para face, queixo, testa, orelhas e áreas do pescoço. Óculos de segurança deve ser sempre utilizado sob o protetor facial.
Proteção para as mãos: Luvas de couro ou luvas resistentes a arco devem ser utilizadas. No caso de luvas de couro, utilizar com espessura mínima de 0,7 mm.
Proteção para os pés: Botas de couro devem ser utilizadas para níveis de energia incidente superiores a 4 cal/cm².
O Quadro 2, também presente na NFPA 70E - 2015, apresenta as categorias de perigo e risco na realização das atividades envolvendo serviços em eletricidade, bem como indica os EPIs necessários de acordo com o nível de energia incidente ao qual o trabalhador está esposto.
Quadro 2. Categoria de perigo/risco.
Categoria
Perigo/Risco Roupa de Proteção e EPIs
0
Roupa de proteção, não tratada e não fundível, em fibra natural (algodão não tratado, viscose, seda ou misturas destes) com um peso de tecido de pelo menos 4,5 oz/yd². EPIs
Camisa manga comprida Calças compridas
Óculos de segurança
Protetor auricular (tipo plug) Luvas de couro
1
Roupas com ATPV de 4 cal/cm² Calça e camisa manga comprida EPIs
Óculos de segurança ou óculos de proteção Capacete
Proteção auditiva (tipo plug) Luvas de couro
Sapatos de couro
2 Roupas com ATPV de 8 cal/cm² Calça e camisa manga comprida
EPIs
Óculos de segurança ou óculos de proteção Capacete
Proteção auditiva (tipo plug) Luvas de couro
Sapatos de couro
3
Roupas com ATPV de 25 cal/cm²
Calça e camisa manga comprida ou macacão Luvas
Capuz Carrasco EPIs
Óculos de segurança ou óculos de proteção Capacete
Proteção auditiva (tipo plug) Luvas de couro
Sapatos de couro
4
Roupas com ATPV de 40 cal/cm²
Calça e camisa manga comprida ou macacão Luvas
Capuz Carrasco EPIs
Óculos de segurança ou óculos de proteção Capacete
Proteção auditiva (tipo plug) Luvas de couro
Sapatos de couro
2.3 MÉTODOS DE CÁLCULO DE ENERGIA INCIDENTE
Conhecendo os riscos associados ao arco elétrico percebe-se a necessidade de medidas de controle e preventivas, sob pena de perdas materiais e humanas. Dentre os riscos associados, o que apresenta maior histórico de lesões em seres humanos, como apresentado nos capítulos anteriores é a energia incidente. Dessa forma, será dada atenção ao estudo dos modelos matemáticos para o cálculo de sua magnitude e as medidas de precaução necessárias a fim de minimizar e até mesmo eliminar os efeitos do arco elétrico.
Para isso serão abordadas as principais metodologias de cálculo de energia incidente e as limitações de cada método, envolvendo o método de Ralph Lee, pioneiro no cálculo de energia incidente, método de Doughty-Neal e o Método IEEE.
2.3.1 Método de Ralph Lee
O trabalho de Ralph Lee (2000) focou inicialmente em determinar as distâncias seguras para os trabalhadores nas imediações do arco elétrico. A partir do trabalho de Stoll e Chianta, Lee apresentou as temperaturas que podem causar queimaduras curáveis (T < 80°C) e incuráveis (T > 96°C), para tempos de exposição iguais a 100 ms, e propôs modelos para o cálculo das distâncias seguras para que queimaduras incuráveis não ocorressem (RESENDE, 2016).
Seu trabalho não levou em conta experimentos práticos para investigar a relação do modelo matemático com e a energia irradiada no curto-circuito trifásico real. Dessa forma, concluiu que os resultados deveriam ser conservadores e deveria ser baseado nas condições do sistema onde teria máxima energia irradiada. O método desenvolvido baseia-se no modelo do arco atuando como uma resistência estática. A Figura 10 mostra o circuito em que Lee considerou para a modelagem do sistema e o respectivo resultado através do diagrama de fases. O circuito consiste em uma fonte de tensão 𝐸∞, a impedância do sistema Zs até o ponto da falta
e a resistência do arco elétrico Ra. Foi desconsiderada a resistência do sistema até o ponto de falta.
Sabe-se, através da teoria de circuitos, que a máxima transferência de potência para 𝑅𝑎 se dá quando |𝑍𝑠| = |𝑅𝑎|, o que resulta em |𝐸𝑠| = |𝐸𝑎|. Dessa forma para se determinar a máxima potência transferida da fonte para o arco elétrico, Ralph Lee considerou a resistência
Figura 10. Diagrama fasorial da tensão e corrente para diferentes comprimentos de arco.
do arco igual a impedância da fonte, por consequência a máxima potência do arco será metade da potência de curto-circuito naquele ponto (RESENDE, 2016). Logo, o cálculo da energia incidente pode ser determinado conhecendo a corrente máxima de curto-circuito trifásica, o tempo total de duração do arco elétrico e a distância do trabalhador a partir da origem do arco, resultando na Equação 2, a seguir:
E=0,512xIxVxtA
D2 (2)
onde:
E: Energia Incidente (cal/cm²); I: Corrente de curto-circuito (kA); V: Tensão de linha (V);
tA: Tempo de duração do arco (s);
D= Distância de trabalho do ponto do arco elétrico (pol).
A metodologia de Ralph Lee oferece baixa complexidade para o cálculo da energia, podendo ser facilmente aplicada se conhecido os parâmetros da equação. Ralph Lee chegou a apresentar, para um tempo de exposição de 100ms e para determinadas distâncias, qual a potencia do arco causaria queimaduras curáveis e incuráveis (Tabela 4).
Tabela 4. Potência do Arco x Distância
O modelo matemático apresenta coerência em sua construção, no entanto alguns aspectos importantes não foram levados em consideração na sua elaboração. Primeiramente, considerar a resistência do arco igual a impedância da rede não se confirma, uma vez que dificilmente ocorrerá em casos práticos. Outro aspecto desconsiderado é de que o arco apresenta
Distância Potência do Arco - MW
Polegadas cm Curável Incurável
20 50 5,2 7 24 61 7,5 10 330 76,2 11,8 16 36 81,4 17 23 60 152,4 47 64 120 304,8 189 256 Fonte: (RESENDE, 2015)
comportamento dinâmico, modificando seu valor durante o tempo. Também se considerou como toda a energia elétrica convertida em energia incidente, uma vez que parte dessa energia é consumida no processo de fusão e vaporização dos condutores e deslocamento de ar. A inexistência de uma forma para calcular a corrente de arco e a falta de estudo do confinamento do arco são fatores que limitaram o trabalho desenvolvido.
Por outro lado, essa foi a única referência para se determinar a energia incidente oriunda de um arco elétrico, mostrando-se um bom recurso para situações com configuração aberta até 600 V. Na medida em que apresentam-se sistemas com faixas de tensões mais elevadas, o método se torna ineficaz, não sendo aplicado em pátio de subestações, linhas de transmissão e redes de distribuição.
2.3.2 Método de Doughty-Neal
Doughty e Neal (1997) deram sequência ao trabalho de Ralph Lee, apresentando um progresso em relação ao método do último. Sua pesquisa é resultado de uma série de testes em laboratório com resultados obtidos através de medições com sensores (Figura 11) nas configurações aberta (a) e fechada (b), e foi realizada ao longo de três artigos, sendo que no último denominado Predicting Incident Energy to Better Manage the Electric Arc Hazard on
600 V Power Distribution Systems estão apresentadas as fórmulas de cálculo.
Figura 11. Testes realizados em laboratório.
Fonte: (RESENDE, 2015)
O trabalho de Doughty e Neal (1997) possibilitou uma maior compreensão do fenômeno do arco elétrico e também no aperfeiçoamento no método de cálculo da energia incidente, além de corroborar com os estudos de Lee, mostrando que nem toda a energia da fonte é convertida em energia incidente.
Os ensaios mostraram que para sistemas em 600 V em configurações abertas, a energia incidente medida ficou próxima de 80% do máximo teórico. Por outro lado, para sistemas em 2400 V, as medições fiaram próximas de 40%. Já para configurações fechadas os calores de energia incidente podem ser até três vezes maiores do que para configurações abertas. A Figura 12 mostra como a energia incidente se torna maior para a configuração aberta (open arc) e para configuração fechada (arc in box) conforme a corrente de falta aumenta.
Abaixo estão apresentadas as equações para cálculo da energia incidente nas configurações abertas e fechadas, conforme método de Doughty-Neal:
EMA=5271. D−1,9593t
A(0,0016. I2− 0,0076. I + 0,8938) (3)
EMB=1038,7. D−1,4738t
A(0,0093. I2− 0,3453. I + 5,9675) (4)
onde:
EMA: Energia Incidente em configurações abertas (cal/cm²);
EMB: Energia Incidente em configurações fechadas (cal/cm²)
Figura 12. Energia Incidente para as configurações aberta e fechada em função da corrente de falta.
D: Distância do arco ao indivíduo (in); tA: Tempo de duração do arco (s);
I: Corrente de curto-circuito no ponto estudado (kA).
Verificou-se que as equações possuem uma dependência linear da energia incidente com o tempo de duração do arco elétrico, o que se torna importante para definir medidas de atenuação do arco.
A metodologia de Doughty-Neal representou um avanço na determinação da energia incidente, apresentando um método mais eficiente de cálculo de do que o proposto por Lee. Apesar de possuir a limitação de ser aplicado em sistemas de até 600 V e corrente de curto circuito entre 16 e 50 kA, o método engloba uma esfera significativa de sistemas em que pode ser aplicado o método, uma vez que são inúmeros os painéis elétricos existentes na indústria com esse nível de tensão.
2.3.3 Método IEEE 1584
No ano de 2000, o IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) concluiu um trabalho que se tornou o método de cálculo de energia incidente mais difundido devido a sua abrangência. O estudo considerou trabalhos desenvolvidos até então, passando por Ralph Lee, Doughty-Neal e outros estudos complementares.
O IEEE Standard 1584 –2002 - Guide For Performing Arc-flash Hazard Calculation, apresentou uma metodologia que estendeu os limites de aplicação do cálculo de energia incidente, podendo ser utilizado em sistemas trifásicos, em configurações abertas ou fechadas e em baixa ou média tensão (RESENDE, 2016). Riscos relativos a estilhaços e projeções de metais derretidos, ondas de pressão e fumaça tóxica não foram contempladas no estudo.
Tabela 5. Limites de aplicação do método IEEE 1584.
Para o desenvolvimento do método são necessárias as seguintes informações:
Tensão nominal;
Corrente de curto-circuito trifásica;
Tipo de instalação: barramento exposto ou encapsulado;
Tipo de equipamento: conjunto de manobra, CCM, cabos;
Distância entre os condutores no local do arco elétrico (gap);
Tipo de aterramento do neutro dos transformadores;
Tempo de atuação dos dispositivos de proteção;
Tempos de abertura de disjuntores.
2.3.3.1 Corrente de Curto-circuito
Como já dito anteriormente, a corrente de curto-circuito durante um arco elétrico sofre um decréscimo em relação a corrente de curto sem a presença do arco devido a impedância que surge na área por onde se dá o arco elétrico. Devido ao fato de que em sistemas de média tensão esse decréscimo não ser tão significativo quanto em sistemas de baixa tensão, são propostas duas fórmulas de cálculo para corrente limitada por arco, uma para média tensão (Equação 5) e outra para baixa tensão (Equação 6).
Tensão abaixo de 1 kV:
log(𝑎) =K+0,662xlog(Ibf)+0,0966xV+0,000526xG +0,5588xVxlog(Ibf)-0,00304xGxlog(Ibf) (5)
PARÂMETRO FAIXA DE APLICAÇÃO
Nível de Tensão 0,208 a 15 kV
Frequência 50 ou 60 Hz
Corrente de Falta 0,7 a 106 kA
Distância entre fases (GAP) 13 a 152 mm
Equipamento Barramentos expostos, CCM, conjunto de manobra, painéis, disjuntores, cabos
Aterramento Isolado, solidamente isolado, aterrado por alta impedância, aterrado por baixa impedância
Número de Fases 3
Tensão maior ou igual a 1 kV:
log(Ia)=0,00402+0,983xlog(Ibf) (6)
onde:
Ia: corrente de curto-circuito limitada por arco elétrico (kA);
K: -0,097 (configurações fechadas) ou -0,153 (configurações abertas); Ibf: corrente de curto-circuito transitória simétrica eficaz (kA);
V: tensão do sistema (kV);
G: distância entre os condutores (mm).
Deve-se calcular a corrente correspondente a 85% do valor de Ia levando em consideração que podem ocorrer situações de pequena variação de corrente que pode influenciar no tempo de atuação da proteção do sistema, acarretando em resultados conservadores para o cálculo de curto-circuito.
2.3.3.2 Energia Incidente Normalizada
O cálculo da energia incidente normalizada é uma etapa matemática intermediária para a determinação da energia incidente final. Essa energia deve ser calculada considerando uma distância de trabalho de 610 mm e um tempo de atuação de proteção de 200 ms (relé + disjuntor). O cálculo é realizado através da seguinte equação:
log(En)=K1+K2+1,081×log(Ia)+0,0011×G (7)
onde:
En: Energia Incidente normalizada (J/cm²);
K1: -0,555 (barramento encapsulado) ou -0,792 (barramento aberto);
K2: 0 (não aterrados ou aterrados com alta resistência) ou -0,113 (sistemas aterrados); Ia: Corrente de curto-circuito limitada por arco elétrico calculada (kA);
2.3.3.3 Cálculo da Energia Incidente
Antes de chegar ao valor final de energia incidente (E) é necessário obter o tempo de atuação dos relés e disjuntores, curvas dos fusíveis e elos fusíveis, bem como a distância entre a fonte do arco elétrico e o trabalhador. Também é necessário conhecer o espaçamento entre os condutores das três fases.
A IEEE disponibiliza valores típicos para essas variáveis. A Tabela 6 apresenta a distância da cabeça e o tronco para o ponto do arco elétrico, e não das mãos uma vez que que na cabeça e no tronco que acontecem as lesões mais graves.
Tabela 6. Classes de equipamentos e distâncias de trabalho.
Além da distância de segurança, a IEEE-1584b de 2011, apresenta os tempos usuais para os tempos de abertura de disjuntores conforme o nível de tensão. Apesar das diferenças entre fabricantes, tecnologia empregada e configurações do equipamento, a Tabela 7 se apresenta como uma boa referência quando a tarefa de obtenção dos dados em campo for onerosa.
Tabela 7. Tempos típicos de operação de disjuntores em 60 Hz.
A Tabela 8 apresenta os fatores de distância x e as distâncias típicas de espaçamento entre os barramentos (G). O fator de distância x está relacionado ao nível de tensão e a geometria envolvida. O mesmo foi obtido empiricamente ao longo dos ensaios realizados e
TIPO DE EQUIPAMENTO DISTÂNCIA TÍPICA DE TRABALHO (mm)
Conjunto de manobra 15 kV 910
Conjunto de manobra 5 kV 910
Conjunto de manobra de baixa tensão 610
CCMs e panéis de baixa tensão 455
Cabos 455
Outros Determinar em campo
TIPO DE DISJUNTOR tABERTURA (CICLOS) tABERTURA (s)
Baixa Tensão (<1000 V) 3 0,05
Média Tensão (1-35 kV) 3 - 5 0,05 - 0,08
Alta Tensão 3 0,05
Obs.: Essa tabela não considera os tempos de operação dos relés externos. Fonte: (RESENDE, 2016)
considerados para a elaboração da metodologia IEEE. O fator x não é, portanto, um dado a ser obtido em campo (RESENDE, 2016).
Tabela 8. Fator "x" e distância entre condutores para tipos de equipamentos e classes de tensão.
TENSÃO NOMINAL (kV) TIPO DE EQUIPAMENTO GAP ENTRE CONDUTORES (mm) FATOR DE DISTÂNCIA x 0,208 – 1 Exposto 10 – 40 2 Conjunto de Manobra 32 1,473 CCM e painéis 25 1,641 Cabos 13 2 > 1 – 5 Exposto 102 2 Conjunto de manobra 13 – 102 0,973 Cabos 13 2 >5 – 15 Exposto 13 – 152 0,973 Cabos 13 2
Após a coleta dos dados de energia incidente normalizada (En), distância de trabalho e tempo de atuação das proteções, passa-se ao cálculo da energia incidente final (E). Para a variável tempo cabe ressaltar que é a soma do tempo de abertura do disjuntor e do relé. Para instalações em baixa tensão protegidos apenas por disjuntor considera-se apenas o tempo de atuação desse. Para circuitos protegidos por fusíveis deve ser considerado o tempo de atuação do fusível. A Equação 8 mostra o método de cálculo para a energia incidente.
E=Cf×En× ( 𝑡 0,2) × (
610𝑥
𝐷𝑥 ) (9)
onde:
E: Energia Incidente normalizada (cal/cm²);
Cf: Fator de tensão: 1 (tensão > 1 kV) ou 1,5 (tensão ≤ 1 kV); En: Energia incidente normalizada (J/cm²);
D: Distância (mm) do ponto do arco elétrico até o trabalhador; G: distância entre os condutores (mm).
2.3.3.4 Distância de Segurança
Reajustando a Equação 9 podemos determinar a distância segura de operação, a qual a energia incidente não cause lesões por queimadura de 2º graus ao indivíduo. Essa distância será considerada a distância segura de aproximação para as pessoas sem utilização de medidas de proteção. Segundo Stoll e Chianta (1971), o valor de energia incidente para esse caso é de 1,2 cal/cm². A Equação 10 apresenta o método de cálculo.
𝐷𝐵= [4,184 × 𝐶𝑓 × ( 𝑡 0,2) × ( 610𝑥 𝐸𝐵 )] 1 𝑥 (10) onde: DB: Distância de segurança (mm²);
EB: Valor de energia incidente que não provoca queimadura de 2º graus (1,2 cal/cm²);
A Figura 13 apresenta um fluxograma da metodologia IEEE.
Figura 13. Fluxograma para o cálculo de energia incidente segundo a IEEE-1584.
A metodologia IEEE-1584 requer um maior número de informações para o cálculo de energia incidente que o método de Ralph Lee e Doughty-Neal, tornando-se mais trabalhosa para aplicar. No entanto os resultados alcançados correspondem mais fielmente com os valores verificados em testes.
2.4 COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS
Dentre as metodologias apresentadas, o método IEEE-1584 e Doughty-Neal têm maior utilização e apresentam resultados parecidos para tensões até 600 V. De 600 V a 15 kV o método IEEE se mostra mais eficaz. O método de Ralph Lee apresenta bons resultados em configurações de até 600 V, porém somente em configurações abertas. Abaixo, no Quadro 3 e Tabela 9, estão apresentados, respectivamente, um quadro resumo dos métodos de cálculo e outro quadro com os limites de aplicação de cada um.
Quadro 3. Quadro resumo dos métodos de cálculo de energia incidente.
Método Limites/Parâmetros
Ralph Lee, "The Other Electrical Hazard: Electrical Arc Flash Burns"
Calcula a energia incidente e a distância de segurança do arco elétrico em configurações abertas; conservadora para tensões acima de 600 V e se torna ainda mais conservadora à medida que a tensão aumenta
Doughty-Neal, "Predicting Incident Energy to Better Manage the Electrical Arc Hazard on 600 V Power Distribution Systems"
Calcula a energia incidente para arcos trifásicos em sistemas até 600 V; aplica-se a correntes de curto-circuito entre 16 kA e 50 kA .
IEEE 1584, Guide for Performing Arc Flash Calculations
Calcula a energia incidente e a distância de segurança do arco elétrico para: 208 V a 15 kV; trifásico; 50 Hz a 60 Hz; corrente de curto-circuito de 700 a 106.000 A; e espaçamento entre condutores de 13 mm a 152 mm.
Tabela 9. Limites de aplicação dos métodos.
Métodos de Cálculo de Energia Incidente
Até 600 V 601 V a 15 kV Maior que 15 kV
1Ø 3Øa 3Øb 1Ø 3Øa 3Øb 1Ø 3Øa 3Øb
Ralph Lee S-C S S-C S-C N N² N² N² N²
Doughty-Neal S-C S S N N N N N N
IEEE-1584 S S S S S S N N N
Fonte: Adaptado (RESENDE, 2016)
1 Ø: Monofásico - configuração aberta 3 Ø a: Trifásico - configuração aberta
3 Ø b: Trifásico - configuração fechada (box) S: Resultado aceitável para o tipo de arco elétrico N: Resultado não aceitável para o tipo de arco elétrico
S-C: Resultado aceitável para o tipo de arco elétrico, porém muito conservador
Uma tendência na indústria dos dias atuais é a utilização de equipamento elétricos encapsulados visando a diminuição dos índices de choques elétricos. Dessa forma fabricantes tem atentado cada vez mais para riscos relativos ao arco elétrico em configurações fechadas.
Ainda, segundo Resende (2016), para instalações elétricas aéreas, subestações desabrigadas, linhas de transmissão e para o SEP em geral, os métodos de Doughty-Neal e IEEE não são recomendados, restringindo pelos próprios limites de aplicação.
2.5 NORMATIVAS
2.5.1 Normas Internacionais
Como informa Resende (2016), em 1970, nos Estados Unidos, a Occupational Safety
and Health Act (OSH Act) foi aprovada com o intuito de impedir que os trabalhadores sofressem
ferimentos ou viessem a óbito em seus locais de trabalho, definindo ser de responsabilidade dos empregadores a garantia do local de trabalho seguro. Essa lei criou a OSHA, Occupational
Safety and Health Administration, que estabelece e aplica as normas de segurança no trabalho
nos Estados Unidos.
A NFPA 70E, aprovada pelo American National Standards Institute – ANSI, tem o objetivo de ajudar empresas e trabalhadores a evitar acidentes e mortes devido a choque, arco elétrico e explosão devido ao arco. Além disso, inclui outros procedimentos como seleção de EPI adequado, condições de trabalho, e treinamento de funcionários.
Por fim, ainda apresenta definições quanto aos riscos associados ao arco elétrico, avaliando riscos, definindo distâncias seguras e especificação de EPI, além de relacionar as categorias de EPI de acordo com o nível de arco elétrico.
2.5.2 Normas Nacionais
As Normas Regulamentadoras (NR) são diretrizes e procedimentos, divididos em 36 NRs, sendo classificadas de acordo com as características e atividades exercida em cada
trabalho, cada qual elaborada por profissionais especializados com o objetivo de promover a segurança e a saúde no trabalho. Tais normas passaram a ter cumprimento obrigatório em locais que possuam trabalhadores conduzidos pela Consolidação das Leis do Trabalho (CLT) em 1978 quando aconteceu a aprovação das normativas, através da portaria nº3.214 regulamentadas pelo Ministério do Trabalho e Emprego.
Dentre as NR aprovadas, estava a primeira versão da Norma Regulamentadora nº10 – Instalações e Serviços de Eletricidade, que veio a passar por uma alteração em 2004, passando a ser intitulada de Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade. De acordo com Resende (2016), a necessidade da atualização da NR-10 surgiu na década de 90, especialmente em 1998, quando se iniciou o processo de privatização do setor elétrico. O processo atingiu 80% da distribuição e 20% de geração, o que incorreu em significativas mudanças no processo e organização do trabalho no setor de energia elétrica.
A norma só entrou em vigor a partir de 2006, 24 meses após sua publicação, devido aos prazos concedidos para o cumprimento dos itens da nova NR-10. Ela está em vigor há 10 anos no país, no entanto ainda são inúmeros os casos de desconformidades encontrados nas empresas espalhadas pelo território, evidenciando que o tema da segurança ainda não é prioridade em muitos locais.
Quanto o assunto é arco elétrico, a norma se mostra deficitária. A norma não faz menções claras e específicas a respeito dos perigos relacionados nem mesmo apresenta avaliações de riscos, distância de segurança e nem mesmo a NR-6 (Equipamentos de Proteção Individual), apresenta especificações de EPI relacionados aos riscos associados ao arco elétrico. Apenas 3 itens podem ser relacionados a segurança envolvendo arco elétrico, são eles, alínea (c) do item 12.2.4, o item 12.2.9.2 e alínea (a) do item 10.3.9. Onde os dois primeiros discorrem sobre as especificações de EPI e adequação das vestimentas de trabalho quanto à inflamabilidade e o último discorre a respeito da proteção contra queimaduras.
No entanto, na falta de informações a respeito da segurança envolvendo arco elétrico, o Ministério Público, no uso de suas competências, estabeleceu as “normas técnicas de ensaios e os requisitos obrigatórios aplicáveis aos Equipamentos de Proteção Individual – EPI enquadrados no Anexo I da NR-6. Dessa forma, os normativos americanos e internacionais devem ser atendidos nos testes de EPI contra arco elétrico que são comercializados no Brasil.
Percebe-se, no Brasil, uma forte defasagem normativa quando o assunto é proteção contra os efeitos do arco elétrico. Apesar da NR-10 de 2004 refletirem o aprimoramento técnico e intensificarem as discussões no campo da segurança e saúde ocupacional envolvendo serviços em eletricidade, persiste no país um desconhecimento e falta de entendimento relativo a aplicabilidade e obrigatoriedade das normas nacionais e internacionais.
3 METODOLOGIA
O presente trabalho fez uso da abordagem quantitativa de pesquisa, o que significa traduzir em números opiniões e informações para classificá-las e analisá-las (MENEZES e SIILVA, 2005).
Para alcançar os objetivos do trabalho foi utilizado o método dedutivo que, segundo Menezes e Silva (2005), tem o objetivo de explicar o conteúdo das premissas, partindo da análise do geral para o particular a fim de se chegar a uma conclusão. As etapas da pesquisa estão apresentadas no Quadro 4.
1ª Etapa: O fenômeno do arco elétrico e a energia incidente
Nesta etapa procurou-se descrever o arco elétrico, investigando sua natureza física, como ele surge e sua principal consequência: a energia incidente. Buscou-se apresentar as características do arco elétrico e os riscos associados à energia incidente bem como formas de proteção contra ele, abordando as vestimentas antichamas e como determinar corretamente quais e quais tipos de vestimenta o trabalhador deve utilizar conforme cada caso. Para esta etapa, foram utilizados artigos, pesquisas e estudos de caso como referência.
2ª Etapa: Métodos de cálculo de energia incidente
Para a determinação das vestimentas antichamas e procedimentos seguros de trabalho, deve-se ter conhecimento dos níveis de energia incidente do sistema. Portanto foi apresentado os métodos de cálculos existentes, apresentando suas particularidades e limites de aplicações.
3ª Etapa: Coleta de dados do sistema
ETAPA
1 O fenômeno do arco elétrico e a energia incidente.
2 Métodos de cálculo de energia incidente.
3 Coleta de dados do sistema
4 Cálculos de curto-circuito
5 Cálculo de energia incidente
6 Análise dos resultados e propostas de melhorias Quadro 4. Etapas de realização do trabalho.
