ALEXANDER PIMENTEL
GFCI – DESENVOLVIMENTO DE UM INTERRUPTOR ELETRÔNICO RESIDUAL DE BAIXO CUSTO
Palhoça 2020
ALEXANDER PIMENTEL
GFCI – DESENVOLVIMENTO DE UM INTERRUPTOR ELETRÔNICO RESIDUAL DE BAIXO CUSTO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Fabio Ignácio da Rosa, Esp. Eng.
Palhoça 2020
ALEXANDER PIMENTEL
GFCI – DESENVOLVIMENTO DE UM INTERRUPTOR ELETRÔNICO RESIDUAL DE BAIXO CUSTO
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica e aprovado em sua forma final pelo Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina.
Palhoça, 23 de Novembro de 2020.
______________________________________________________ Professor e orientador Fabio Ignácio da Rosa, Esp. Eng.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________ Anderson Soares André, Dr. Eng.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________ Anderson Horstmann, Bel. Eng.
Dedico este trabalho ao Senhor Jesus Cristo que cuidou, educou, ensinou, corrigiu, disciplinou, me orientou, nos momentos mais difíceis da minha vida.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus pela saúde, por estar comigo e por permitir chegar até aqui. Ele está no controle de tudo. Obrigado Senhor por mais essa conquista.
Aos meus pais, Loreni (in memoriam) e Ludovina, que independentemente das condições, sempre incentivaram, investiram e apoiaram meus estudos.
A minha namorada Maria Sueli Dias Zanetti pelo apoio incondicional e por sua compreensão nos momentos de ausência, que por vezes fui condicionado, a fim de cumprir meus compromissos.
Aos meus colegas de curso, seja pela competitividade, seja pela contribuição de cada um no decorrer desta jornada.
A todos os professores com quais tive contato nestes quatro anos pelo compartilhamento de conhecimento e pelo desafio lançado a cada disciplina.
"Sonhar grande ou sonhar pequeno dá o mesmo trabalho. Então, sonhe grande" (João Paulo Leman, 1992).
RESUMO
Uma infinidade de trabalhos necessitam do uso da eletricidade para sua execução. Dentro deste escopo, evidencia-se a importância de que procedimentos seguros sejam adotados a fim de manter a integridade e saúde, sejam dos usuários que mantem contato, sejam dos trabalhadores que manipulam a eletricidade. Entretanto, mesmo com a adoção de diversos protocolos previstos em manuais ou normas, eventuais falhas nos circuitos elétricos decorrentes de sobrecargas, curto circuitos ou fugas de corrente a terra, podem provocar sérios danos materiais e/ou físicos. A preocupação deste trabalho tem seu foco na letalidade que choques elétricos podem provocar a seres humanos. Neste interim, os interruptores diferenciais são explorados por constituírem um aliado na prevenção contra choques elétricos, condição na qual há passagem de corrente elétrica através do corpo humano. Preponderantemente, o dispositivo protege o usuário no caso do defeito, interrompendo a alimentação, proporcionando operação segura. A investigação procura o desenvolvimento de um protótipo que atenda requisitos de simplicidade e custo, sem comprometimento da segurança por constituir fator inegociável em qualquer atividade.
ABSTRACT
Multitudes of jobs require the use of electricity for their execution. Within this scope, it is
evident the importance that safe procedures are adopted in order to maintain integrity and
health, both for users who maintain contact, and for workers who handle electricity. However,
even with the adoption of several protocols provided for in manuals or standards, eventual
failures in the electrical circuits resulting from overloads, short circuits or leakage of current to
earth, can cause serious material and / or physical damage. The concern of this work is focused
on the lethality that electric shocks can cause to human beings. In the meantime, the differential
switches are exploited as they are an ally in the prevention of electric shocks, a condition in
which electrical current passes through the human body. Mostly, the device protects the user in
the event of a defect, interrupting the power supply, providing safe operation. The investigation
seeks the development of a prototype that meets the requirements of simplicity and cost, without
compromising safety, as it is a non-negotiable factor in any activity.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Choques Elétricos Fatais/Não Fatais – Série histórica 2013-2019 ... 13
Figura 2 – Possíveis caminhos para a corrente elétrica no corpo humano ... 19
Figura 3 – Início da fibrilação ventricular ... 21
Figura 4 – Choque elétrico por contato direto ... 22
Figura 5 – Choque elétrico por contato indireto ... 23
Figura 6 – Esquema elétrico do circuito de fuga de corrente a terra ... 35
Figura 7 – Diagrama elétrico do dispositivo de proteção diferencial residual ... 36
Figura 8 – Curva característica de disparo do dispositivo diferencial ... 37
Figura 9 – GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter) ... 39
Figura 10 – GFCI comercializado pela fabricante Emerson ... 41
Figura 11 – Modelo comercializado pela fabricante Phoenix Contacts ... 42
Figura 12 – Modelo comercializado pela fabricante Sinoamigo ... 43
Figura 13 – Princípio de funcionamento do transformador ... 45
Figura 14 – Forma de onda retificada em ponte completa com filtro capacitivo ... 45
Figura 15 – Fonte de alimentação do circuito ... 46
Figura 16 – Transformador de corrente não invasivo ... 47
Figura 17 – Circuito de aferição de corrente de fuga a terra ... 48
Figura 18 – Circuito comparador de tensão... 49
Figura 19 – Pinagem do amplificador operacional 741 ... 50
Figura 20 – Diagrama elétrico do amplificador operacional LM741 ... 51
Figura 21 – Símbolo, camadas e diagrama elétrico do tiristor ... 51
Figura 22 – Circuito comparador de tensão e disparo do rele ... 52
Figura 23 – Rele ... 53
Figura 24 – Circuito de abertura principal da carga ... 54
Figura 25 – Circuito para simulação da corrente de fuga a terra. ... 55
Figura 26 – Circuito proposto com adição de instrumentos de medição... 56
Figura 27 – Formas de onda na entrada do amplificador 741 no momento do disparo do rele 57 Figura 28 – Protótipo da placa ... 59
Figura 29 – Layout da placa ... 60
Figura 30 – Projeto das trilhas para o circuito impresso ... 61
Figura 32 – Placa com os componentes eletrônicos ... 62
Figura 33 – Caixa plástica contendo componentes do dispositivo ... 62
Figura 34 – Tampa da caixa plástica ... 63
Figura 35 – Dispositivo finalizado ... 64
Figura 36 – Protótipo da placa montada na base metálica para testes e experimentos ... 65
Figura 37 – Circuito para simular corrente de fuga a terra ... 66
Figura 38 – Circuito com corrente de fuga a terra sem disparo do rele ... 66
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Quantidade em porcentagem da corrente que circula pelo coração ... 19
Tabela 2 – Limite de valores de corrente em mA... 24
Tabela 3 – Efeitos da corrente elétrica a uma frequência de 60 Hertz ... 25
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 13 1.1 JUSTIFICATIVA ... 15 1.2 DELIMITAÇÕES ... 15 1.3 OBJETIVOS ... 16 1.3.1 OBJETIVO GERAL ... 16 1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 16 1.4 METODOLOGIA ... 16 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 17 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 18
2.1 SISTEMAS DE PROTEÇÃO E CHOQUE ELÉTRICO ... 18
2.1.1 CLASSIFICAÇÃO DO CHOQUE ELÉTRICO ... 21
2.1.1.1 Choque Elétrico por Contato Direto ... 22
2.1.1.2 Choque Elétrico por Contato Indireto ... 22
2.1.1.3 Macrochoque ... 23
2.1.1.4 Microchoque ... 23
2.1.2 EFEITOS DO CHOQUE ELÉTRICO ... 24
2.2 SEGURANÇA EM ELETRICIDADE ... 26
2.2.1 MEDIDAS DE CONTROLE DE RISCOS ... 26
2.2.2 MEDIDAS DE PROTEÇÃO COLETIVA ... 27
2.2.3 MEDIDAS DE PROTEÇÃO INDIVIDUAL ... 28
2.3 NORMAS DE SEGURANÇA ELÉTRICA ... 29
2.3.1 NR 10 – SEGURANÇA EM INSTALAÇÕES E SERVIÇOS EM ELETRICIDADE ... 29
2.3.2 NBR 5410 – INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DE BAIXA TENSÃO ... 31
2.4 SISTEMAS DE PROTEÇÃO EMPREGADOS EM ELEVADORES ... 32
2.4.1 DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS DE PROTEÇÃO ... 34
2.4.1.1 Disjuntor Diferencial Residual - DDR ... 34
2.4.1.2 Interruptores de Circuito por Corrente de Fuga à Terra - GFCI... 38
3 DESENVOLVIMENTO ... 40
3.1 SOLUÇÕES DE MERCADO ... 40
3.2.1 O CIRCUITO ELÉTRICO ... 43
3.2.1.1 Fonte de Alimentação do Circuito ... 44
3.2.1.2 Circuito de Aferição de Corrente de Fuga a Terra ... 46
3.2.1.3 Circuito Comparador de Tensão e Disparo do Rele ... 48
3.2.1.4 Circuito de Abertura do Circuito Principal da Carga ... 53
3.3 SIMULAÇÕES E TESTES VIRTUAIS ... 55
3.4 MONTAGEM DO PROTÓTIPO E PLACA DEDICADA ... 57
3.4.1 LISTA DE MATERIAL E CUSTO DO PROTÓTIPO ... 58
3.4.2 PROTÓTIPO DA PLACA ... 59 3.4.3 PLACA DEDICADA... 59 3.4.4 PRODUTO FINAL ... 62 4 RESULTADOS OBTIDOS ... 65 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 68 REFERÊNCIAS ... 69 ANEXO ... 72
1 INTRODUÇÃO
Uma das maiores preocupações das empresas nacionais e multinacionais refere-se a saúde e manutenção da integridade de seus colaboradores. Dentro desta perspectiva as empresas procuram inovar investigando e aplicando boas práticas sob a forma de procedimentos, treinamentos e uso de ferramentas. Empresas que de alguma forma submetem seus colaboradores ao uso da eletricidade, contínuo ou eventual, devem ter uma preocupação especial, em função dos riscos envolvidos. Dados coletados e tabulados pela Abracopel (Associação Brasileira de Conscientização para os Perigos da Eletricidade) dimensionam o tamanho deste problema. A Associação demonstra que num período de sete anos, entre os anos de 2013 a 2019, houve crescente acréscimo no número de acidentes fatais envolvendo eletricidade no território brasileiro. Desde o início da tabulação dos dados foram contabilizadas 4.354 vidas perdidas por choque elétrico, compreendendo um acréscimo de 60% no número de mortes de colaboradores expostos a eletricidade, conforme exposto na Figura 1 (ABRACOPEL, 2019).
Figura 1 – Choques Elétricos Fatais/Não Fatais – Série histórica 2013-2019
Fonte: ABRACOPEL, 2019.
Outro dado relevante e preocupante advém da base de dados da Previdência Social cujo registro aponta que são quase dois acidentes acontecendo diariamente. Dados revelam 4.466 acidentes ocorridos entre os anos de 2000 a 2017 com afastamentos, no agrupamento CID W85-W87 (segundo a Classificação Internacional de Doenças – CID 10ª Revisão), pertinentes a trabalhos com eletricidade. (PREVIDÊNCIA SOCIAL, 2019).
Diante deste panorama, normas regulamentadoras para o setor elétrico foram criadas a fim de evitar ou mitigar eventuais acidentes. Como primeira citação, dispomos da
Norma Regulamentadora NR-10, criada em 1978, com última atualização sofrida em 2016, cuja prescrição em seu item 10.1.1 estabelece:
“10.1.1 Esta Norma Regulamentadora - NR estabelece os requisitos e condições mínimas objetivando a implementação de medidas de controle e sistemas preventivos, de forma a garantir a segurança e a saúde dos trabalhadores que, direta ou indiretamente, interajam em instalações elétricas e serviços com eletricidade.” (MINISTÉRIO DO TRABALHO, 2019)
Sendo sua aplicabilidade em todas as fases compreendendo: produção, transmissão, distribuição e consumo, incluindo as etapas de projeto, construção, montagem, operação e manutenção das instalações elétricas e ou quaisquer serviços realizados nas suas proximidades (Atlas 2006). Todavia, mesmo aplicando todos os critérios estabelecidos na NR10, ainda podem ocorrer falhas, pertinentes aos diversos métodos preventivos prescritos, com a utilização de barreiras, invólucros, isolação, afastamento e equipotencialização.
Atualmente no Brasil atuam três grandes empresas fabricantes de elevadores, responsáveis por 95% do mercado nacional. O sistema de proteção utilizado por estas empresas para manutenção da integridade de seus colaboradores consiste na utilização de equipamentos de proteção individuais (EPI´s), dentre eles podemos citar: luvas, óculos e sapato de segurança. Além destes EPI´s, a Otis emprega o uso de um dispositivo de proteção denominado GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter), a fim de que sejam detectadas eventuais falhas decorrentes de isolamento insuficiente de condutores ou equipamentos (extensões com lâmpadas, furadeira ou ferro de solda), evitando danos pessoais por intermédio de choques elétricos.
O GFCI utilizado por exemplo por empresas multinacionais do ramo de elevadores é homologado para todas as empresas do grupo presentes em diversos países, desconsiderando particularidades locais, por critérios de homologação.
Com base no exposto acima, este trabalho tem como objetivo o estudo e desenvolvimento de um GFCI - um dispositivo de proteção de corrente diferencial residual portátil de baixo custo. Tal dispositivo permite a proteção do colaborador em locais remotos onde haja necessidade de uso da eletricidade, independendo das condições da instalação. Resumidamente, o colaborador estará protegido contra efeitos de eventual choque elétrico mesmo que a instalação não possua disjuntor residual (DR) no circuito. O propósito é a manutenção da saúde e integridade do colaborador no uso de iluminação e ferramentas elétricas garantindo operação segura durante o uso da eletricidade.
1.1 JUSTIFICATIVA
Em grandes corporações, principalmente as multinacionais, produtos e ferramentas são desenvolvidos em determinados países a fim de atender necessidades locais. Em função de determinada necessidade são prescritos uma série de itens para que fornecedores desenvolvam um produto. Ao fornecedor, a tarefa de atendimento da especificação inicial, desenvolvimento e teste do produto. Por sua vez, produtos desenvolvidos são testados e se bem avaliados são homologados para uso local. Universalizar a solução acaba sendo um procedimento comum por políticas internas das corporações. Por questões econômicas o fornecedor escolhido produz o produto homologado em alta escala, onde lotes são destinadas para as empresas da corporação espalhadas em diversos países, desconsiderando particularidades locais. O objeto deste estudo é o GFCI utilizado por exemplo pelas empresas de manutenção de elevadores. Um dos itens deste componente de proteção de não conformidade corresponde ao padrão de tomada para conexão de equipamentos, diferente do padrão adotado no Brasil, em virtude do produto ser de origem europeia. Um item simples de fácil solução, entretanto por questões de homologação no país de origem, imutável pelo fornecedor. Um fator que força os colaboradores a utilizarem até quatro adaptadores para que o dispositivo de proteção possa ser empregado no circuito elétrico. Na ausência de um adaptador que permite a compatibilidade, o componente fica sem função podendo acarretar o uso de ferramentas elétricas sem o uso da proteção, expondo o colaborador a eventuais e possíveis choques elétricos. Outro fator determinante, gerador desta proposta advém do custo de aquisição pela empresa deste componente de proteção, cujo valor é expressivo em termos econômicos. Existe a real possibilidade de redução de custos decorrente do desenvolvimento do tema proposto, resultando num resultado financeiro favorável.
Logo, este trabalho tem como objetivo o estudo e desenvolvimento de um GFCI. Um interruptor diferencial residual eletrônico, adaptável ao mercado brasileiro, almejando baixo custo em relação ao utilizado atualmente, de origem europeia.
1.2 DELIMITAÇÕES
Este trabalho limita-se ao estudo e desenvolvimento de um protótipo para produção de um interruptor eletrônico residual de baixo custo para utilização única e exclusiva para serviços de manutenção em elevadores. Serviços que fazem uso da eletricidade e que utilizem no máximo duas cargas elétricas simultaneamente, a fim de manter a saúde e a integridade do colaborador.
1.3 OBJETIVOS
A seguir são apresentados o objetivo geral e os objetivos específicos: 1.3.1 OBJETIVO GERAL
Estudar e desenvolver um protótipo para construção de um interruptor eletrônico residual de baixo custo e efetuar o estudo e a experimentação em laboratório.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Realizar um estudo dos interruptores eletrônicos residuais; • Implementar a concepção de um protótipo funcional;
• Executar testes do protótipo para verificação de sua eficácia.
1.4 METODOLOGIA
Neste trabalho será aplicado a metodologia de pesquisa bibliográfica, que segundo Fonseca (2002, p. 37)
“, ... a pesquisa bibliográfica é feita a partir do levantamento de referências teóricas já analisadas e publicadas por meios escritos e eletrônicos, como livros, artigos científicos, páginas de web sites. Qualquer trabalho científico inicia-se com uma pesquisa bibliográfica, que permite ao pesquisador conhecer o que já se estudou sobre o assunto. Existem, porém, pesquisas científicas que se baseiam unicamente na pesquisa bibliográfica, procurando referências teóricas publicadas com o objetivo de recolher informações ou conhecimentos prévios sobre o problema a respeito do qual se procura a resposta.”
Concomitantemente, associada a metodologia de pesquisa experimental, que segundo Prodanov e Freitas (2013, p.57)
“Na pesquisa experimental, o pesquisador procura refazer as condições de um fato a ser estudado, para observá-lo sob controle. Para tal, ele se utiliza de local apropriado, aparelhos e instrumentos de precisão, a fim de demonstrar o modo ou as causas pelas quais um fato é produzido, proporcionando, assim, o estudo de suas causas e efeitos.” Com a utilização destas duas metodologias, este trabalho possui condições de reunir a série de conceitos e experimentos que se fazem necessários para o estudo, compreensão e desenvolvimento do objeto a ser estudado.
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho está estruturado em 5 capítulos, nos quais serão tratados os seguintes temas:
O capítulo 1 apresenta a introdução ao tema, com justificativa, objetivos e metodologia aplicada.
O capítulo 2 traz a fundamentação teórica para referência, conhecimento e embasamento a fim de prover condições para o desenvolvimento do protótipo.
O capítulo 3 expõe com detalhes do desenvolvimento do protótipo do interruptor residual eletrônico.
O capítulo 4 apresenta os resultados obtidos do protótipo de acordo com as expectativas definidas no capítulo 3.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 SISTEMAS DE PROTEÇÃO E CHOQUE ELÉTRICO
A eletricidade representa uma das grandes matrizes energéticas, que quando controlada corretamente contribui não só para o aumento dos níveis de produtividade, mas também para a segurança daqueles que a manipulam. Entretanto, quando não controlada há riscos de potenciais acidentes podendo provocar danos à saúde das pessoas (FOWLER, 2012).
Com o objetivo de usar a eletricidade de forma segura em associação ao benefício das pessoas, um estudo sobre choques elétricos e seus efeitos contribui para conscientização de sua utilização com responsabilidade. Logo, equipamentos e instalações elétricas, pela potencialidade em apresentar riscos de choques, necessitam de sistemas de proteção que proporcionem segurança durante o uso da energia elétrica. Estas falhas podem provocar sérios danos aos trabalhadores por meio de um evento físico denominado choque elétrico, devidamente conceituado a seguir:
“Choque elétrico é a perturbação, de natureza e efeitos diversos, que se manifesta no organismo humano ou animal quando este é percorrido por uma corrente elétrica. Dependendo da intensidade e do tempo do choque elétrico, a corrente elétrica provoca maiores danos fisiopatológicos no homem” (COTRIM, 2012, p. 07).
Por sua vez a corrente elétrica corresponde a um fluxo de carga decorrente do movimento de elétrons por meio de um condutor. Em determinadas condições o corpo humano pode vir a se tornar um condutor, assim fazendo parte integrante de um circuito elétrico.
O circuito se fecharia e o choque elétrico produziria efeitos no corpo humano determinados por três fatores básicos: a taxa de fluxo de corrente elétrica através do corpo; o percurso da corrente através do organismo; a duração do tempo em que o organismo permaneceu exposto à passagem do fluxo de corrente, ou seja, o tempo em que ele permaneceu “ligado” ao circuito.
O caminho que a corrente irá percorrer no corpo humano influenciará diretamente sobre risco que a pessoa está exposta.
A Figura 2 ilustra alguns dos possíveis caminhos percorridos pela corrente elétrica no corpo humano no momento do choque elétrico.
Figura 2 – Possíveis caminhos para a corrente elétrica no corpo humano
Fonte: FRACCHETA, 2016.
Na Tabela 1 temos a quantidade em porcentagem da corrente que circula pelo coração de acordo com o percurso percorrido em cada evento da Figura 2.
Tabela 1 – Quantidade em porcentagem da corrente que circula pelo coração
Fonte: KINDERMANN, 2013.
O uso da eletricidade pode ocasionar efeitos não desejados, que devem ser evitados com o uso de práticas de segurança. Dentre os efeitos indesejados pode-se citar: o choque elétrico, os incêndios, as explosões e os danos mecânicos (FOWLER, 2012). Este trabalho está focado na proteção contra o choque elétrico, que pode causar danos graves à saúde, podendo em certos casos levar um indivíduo a morte (HUNT, 1992).
Segundo Kindermann, o choque elétrico pode ser considerado como uma perturbação de natureza e efeitos diversos, que se manifestam organismo humano, quando este é percorrido por uma corrente elétrica. Dentre seus efeitos o choque elétrico pode causar: sensação, dor, contrações musculares, queimaduras, inibição dos centros nervosos, ou alteração no ritmo cardíaco (DOBES, 1997).
A resistência humana ao choque elétrico dentre os diversos fatores provém preponderantemente das características da pele, visto ser o órgão pelo qual se estabelece o contato. Para pele seca e contínua, ou seja, sem cortes ou queimaduras, um centímetro quadrado apresenta resistência de 15 kΩ a 1,0 MΩ (OLSO, 2009). Já para a pele rompida ou úmida, a resistência cai para 1% desse valor (DALZIEL, 1972). Diante da variação destes valores, observamos o grau de importância de proteção para este órgão, através de práticas seguras por intermédio do uso de equipamentos complementares denominados de equipamentos de proteção individual (EPI´s).
Segundo Dalziel, os fatores que interferem na intensidade dos efeitos de um choque elétrico são (DALZIEL, 1946):
• A intensidade da corrente elétrica em função do contato com o trabalhador; • O percurso adotado pela corrente elétrica devido a resistividade elétrica dos órgãos;
• O tempo de duração do choque elétrico pela ausência de proteção efetiva; • A frequência de operação da rede elétrica;
• O estado de saúde do trabalhador; • A fase do ciclo cardíaco;
• A forma de onda da corrente elétrica.
Além destes fatores, adiciona-se a área e pressão de contato, a região do corpo humano afetada pelo choque e outras condições do indivíduo, como a existência de próteses metálicas e marcapasso (KINDERMANN, 2013).
Cabe salientar que dentre todos os fatores o valor, caminho e frequência da corrente elétrica são preponderantes na determinação dos danos causados pelo choque (COLLEGE, 2014).
Duarte Filho em 1999, conclui que a morte ou ferimentos causados pelo choque elétrico podem resultar dos seguintes efeitos:
• Contração dos músculos peitorais, podendo interferir na respiração a tal ponto que resultará em morte por asfixia;
• Paralisia temporária do sistema nervoso central, podendo causar parada respiratória, uma condição que frequentemente permanece, mesmo depois da vítima ter sido desconectada do circuito;
• Interferência no ritmo normal do coração, causando fibrilação cardíaca, uma condição na qual as fibras do músculo cardíaco, em vez de contraírem de maneira coordenada,
contraem separadamente e em diferentes momentos. A circulação do sangue para e ocorre a morte;
• Parada cardíaca por contração muscular (em contato com alta corrente). Neste caso, o coração pode reassumir seu ritmo normal, quando a vítima é libertada do circuito;
• Hemorragias e destruição de tecidos, nervos e músculos do coração devido ao calor provocado pela alta corrente.
Segundo Kindermann, a fibrilação ventricular, se analisados os sinais cardíacos em um eletrocardiograma, fica caracterizada por um sinal rápido e caótico, numa frequência que varia em uma faixa de 170 a 300 ciclos por minuto de forma que as paredes dos ventrículos do coração apenas vibram, ou seja, tremulam desordenadamente.
“Caso não tenha sido tomada nenhuma medida antes que se complete o intervalo de tempo estimado entre 8 a 12 minutos após o início da fibrilação ventricular, o quadro clínico evolui para uma parada cardíaca e óbito definitivo” (KINDERMANN, 2013, p. 47).
A Figura 3 ilustra o gráfico de sinais gerados pelo eletrocardiograma (ECG), durante a ocorrência de uma fibrilação ventricular.
Figura 3 – Início da fibrilação ventricular
Fonte: IEC, 2005.
2.1.1 CLASSIFICAÇÃO DO CHOQUE ELÉTRICO
Torna-se relevante classificar o choque elétrico para conhecimento e entendimento de seus efeitos, visto não ser algo tangível fisicamente por não ser visualizável, mas
tremendamente perceptível quando da ocorrência de seu fenômeno. O choque elétrico pode ser classificado quanto a natureza do contato como:
• Choque elétrico por contato direto; • Choque elétrico por contato ou indireto.
Complementarmente, de acordo com sua origem externa ou interna, como: • Macrochoque;
• Microchoque.
2.1.1.1 Choque Elétrico por Contato Direto
Evento no qual ocorre contato com um elemento energizado da instalação elétrica. Exemplificando: uma pessoa em contato com condutor ou um terminal exposto sem isolação.
A Figura 4 ilustra o choque elétrico por contato direto.
Figura 4 – Choque elétrico por contato direto
Fonte: VIANA, 2007.
2.1.1.2 Choque Elétrico por Contato Indireto
Situação em que ocorre contato com um elemento que aparentemente não deveria estar energizado, mas que por defeito ou falhas na isolação, torna-se indevidamente energizado. Exemplificando: uma pessoa em contato com uma superfície isolante que, por falhas construtivas ou perda de qualidade, torna-se energizada por correntes de fuga. A Figura 5 ilustra o choque elétrico por contato indireto.
Figura 5 – Choque elétrico por contato indireto
Fonte: VIANA, 2007.
2.1.1.3 Macrochoque
Segundo Kindermann, o macrochoque é o choque cuja corrente elétrica entra no corpo humano pelo lado externo (KINDERMANN, 2013). O choque ocorre por ocasião de contatos estabelecidos externamente ao corpo humano, onde a corrente entra pela pele, percorre o corpo e sai novamente pela pele (DOBES, 1997).
Dalziel, entre os anos de 1934 e 1972, constatou os valores de corrente, tensão, frequência, forma da onda e o tempo de duração que causam maiores danos aos seres humanos (SPALDING, 2009).
A parte 1 da norma IEC 60479, com revisão em 2005, orienta em relação a segurança elétrica e os danos que podem ser causados a saúde com o uso de corrente elétrica, tratando dos efeitos para a corrente contínua (CC) e em corrente contínua (CA) na faixa de frequências entre 15 e 100 Hertz, ressaltando os limites humanos para percepção, reação, controle muscular e fibrilação ventricular (IEC, 2005).
2.1.1.4 Microchoque
Segundo Kindermann, um microchoque é o choque que ocorre no interior do corpo humano (KINDERMANN, 2013). Dalziel relata que correntes de microchoque apresentam valores na ordem de microamperes (µA), não perceptíveis a grande parte dos seres humanos. Mesmo que os valores de corrente sejam baixos, eles podem trazer sérias consequências. Estudos da década de 1930 mostram que correntes, a partir de 67 µA, quando passam através do músculo cardíaco, podem produzir parada cardiorrespiratória (FERRIS, 1936).
Os microchoques normalmente são resultados de correntes de fuga ou diferenças de voltagem entre condutores aterrados. Quando há algum problema com o equipamento ou com a instalação elétrica que o faz funcionar, uma corrente de fuga pode ser produzida. Um
microchoque, segundo Moyle, pode ocorrer a partir de 10 µA e esses valores já podem iniciar arritmias cardíacas.
Num macrochoque, apesar do valor da corrente ser maior, ela passa pela resistência natural da pele e dos tecidos. Por outro lado, um microchoque, mesmo com valores de corrente menores, a corrente pode fluir diretamente para o coração com menor resistência e proteção.
A Tabela 2 informa os limites de valores de corrente para macrochoque e microchoque e seus respectivos efeitos.
Tabela 2 – Limite de valores de corrente em mA
Fonte: REBONATTO, 2014.
Na tabela 2 valores abaixo do limite para soltar foram considerados na escala de risco como “Normal” por não haver interferência no controle muscular. Valores entre o limite da capacidade de soltar e o limite da fibrilação ventricular são classificados como “Atenção” pela potencial gravidade em produzir danos diretos ou indiretos. Acima do limite para fibrilação ventricular são considerados na escala como “Perigo” pois seus efeitos frequentemente causam sérias complicações.
2.1.2 EFEITOS DO CHOQUE ELÉTRICO
Charles Dalziel conduziu experimentos para determinar os limites de correntes e tensões e suas relações e efeitos no corpo humano. O estudo é dividido em dois grupos, sendo um de análise dos efeitos e danos da eletricidade no corpo humano e outro que visa a identificar mecanismos de proteção com objetivo de minimizar as consequências dos choques elétricos.
No primeiro grupo a abordagem classifica os estágios e efeitos ao corpo humano, sob a interferência de um choque elétrico, sendo estruturada em quatro faixas:
• Percepção, onde identificou que em CC é sentido um ligeiro calor, enquanto em CA uma ligeira sensação de formigamento;
• Reação, onde verificou uma reação involuntária inesperada, podendo causar um acidente por meio de um efeito secundário, como exemplo: trabalhador faz uso de uma escada para instalação de uma luminária, e estando sobre ela para atingir o nível, durante o trabalho sofre um choque elétrico provocando sua queda decorrente do efeito da contração muscular;
• Capacidade de soltar, onde identificou a capacidade de um sujeito soltar um determinado objeto, permanecendo estático junto a origem do choque elétrico. Este efeito, por impedir uma reação natural de proteção, pode causar danos mais graves a medida que o tempo passa e o dispositivo de proteção não efetue o desligamento do circuito, interrompendo a corrente elétrica;
• Fibrilação ventricular, constituindo-se o efeito mais grave onde em termos práticos o sangue para de circular. Quando o coração humano inicia o processo de fibrilação ventricular, raramente se recupera espontaneamente. Aumentando a eletricidade, podem ocorrer outros efeitos como: parada cardíaca, inibição respiratória, danos irreversíveis ao sistema nervoso, queimaduras graves e inconsciência (Dalziel, 1972).
A Tabela 3 descreve os efeitos fisiológicos da produzidos pela corrente no corpo humano em homens e mulheres de acordo com a intensidade da corrente elétrica.
Tabela 3 – Efeitos da corrente elétrica a uma frequência de 60 Hertz
Fonte: DALZIEL, 1956.
No segundo grupo, estudos de segurança elétrica evidenciam questões relacionadas ao aterramento e elementos de segurança a serem empregados em ferramentas elétricas para evitar acidentes. Estudos permitiram a concepção e a descrição de um modelo funcional, onde
pela primeira vez é citado o disjuntor diferencial, como um poderoso aliado a segurança em relação a choques elétricos.
Dentro do mesmo escopo, com a finalidade de evitar acidentes e preservar a vida dos trabalhadores no uso da eletricidade, normas foram implementadas para serem observadas, dentre elas a NR 10 e suplementarmente a NBR 5410. A utilização dos critérios previstos nestes documentos permite segurança efetiva, visto implementarem técnicas, procedimentos e a utilização de sistemas de proteção.
A apresentação e discussão dos sistemas de proteção para evitar choque elétricos prevê substancialmente:
• Uso de equipamentos de proteção coletiva (EPC’s); • Uso de equipamentos de proteção individual (EPI’s); • Estabelecimento e cumprimento de procedimentos seguros;
• Utilização de dispositivos de proteção contra choques elétricos, sendo o GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter) o objeto deste estudo.
2.2 SEGURANÇA EM ELETRICIDADE
Para que haja segurança nos serviços envolvendo eletricidade, três medidas devem ser seguidas por seus agentes, a saber:
• Medidas de controle de riscos; • Medidas de proteção coletiva; • Medidas de proteção individual.
2.2.1 MEDIDAS DE CONTROLE DE RISCOS
Representam um conjunto de ações estratégicas de prevenção com objetivo de reduzir ou eliminar os riscos, ou manter sob controle os possíveis eventos indesejáveis. Neste intuito a NR 10 exige que se faça um controle do risco elétrico, por meio do planejamento de medidas preventivas antes da execução dos trabalhos em instalações elétricas, ou em suas proximidades. Estas medidas consistem em elencar riscos potenciais, mediante a visualização da atividade, emitindo um plano a ser seguido para que atividade seja executada com segurança. Garantir a segurança do trabalho aos trabalhadores não é uma atividade tão simples tendo em vista a quantidade de riscos relacionados a cada ocupação.
Para amortização e redução dos riscos, são estudadas e aplicadas medidas de maior ou menor prioridade estabelecidas em uma lista conhecida por Hierarquia de Controle (HOC). Existem vários tipos de HOC, entretanto sua fundamentação compreende alguns princípios básicos nos quais as hierarquias são baseadas.
Basicamente, há três áreas nas quais as medidas de controle do risco podem ser aplicadas dentre elas:
• Na origem do contaminante (Fonte);
• Ao longo do percurso entre a origem e o trabalhador (Ambiente); • No receptor (Trabalhador).
Para cada uma destas três fases, são respeitadas e cumpridas as seguintes medidas: • Medidas de Eliminação (Fonte): Essa medida prevê a eliminação da condição perigosa que coloca em risco o trabalhador. Por exemplo, eliminar o manuseio manual de uma ferramenta perigosa por um manuseio mecânico;
• Medidas de Substituição ou Minimização (Fonte): Substituir o agente de risco perigoso por outro menos agressivo ou, ainda, reduzir a energia do processo. Por exemplo: através de força, amperagem ou temperatura;
• Medidas de Engenharia (Ambiente): Mudança na estrutura do local de trabalho do profissional, de modo a distanciar a condição perigosa dos trabalhadores. Por exemplo: implantação de sistemas de ventilação, enclausuramento;
• Medidas de Separação (Ambiente): Um exemplo para esta medida é a separação de eletricistas de cubículos onde estão os transformadores nas subestações, a fim de evitar devido a níveis equipotenciais danos físicos graves;
• Medidas Administrativas (Ambiente e Trabalhador): Onde são estabelecidos os treinamentos e procedimentos para a execução do trabalho. Também está inclusa a sinalização horizontal e vertical, os sinais de advertência, alarmes, além de permissões de acesso, dentre outros.
2.2.2 MEDIDAS DE PROTEÇÃO COLETIVA
São adotadas sempre que possível para trabalhos coletivos que expõem as equipes de trabalhadores as mesmas condições de risco, sempre com o objetivo de eliminar, minimizar ou controlar as probabilidades de ocorrer um acidente. A NR 10 prevê medidas de segurança e estabelece exigências quanto à isolação, bloqueio, delimitação, sinalização e aterramento dos equipamentos elétricos, mediante a utilização de Equipamentos de Proteção Coletiva (EPC´s),
compostos por equipamentos ou dispositivos para a proteção de vários trabalhadores e/ou terceiros em relação dos riscos provenientes do desenvolvimento das atividades.
Dentre as medidas de proteção coletiva, pode-se destacar: • Desenergização;
• Seccionamento;
• Impedimento de reenergização;
• Constatação de ausência de tensão elétrica; • Aterramento do equipamento;
• Instalação de aterramento temporário com equipotencialização dos condutores dos circuitos;
• Proteção dos elementos energizados existentes na zona controlada;
• Sinalização de segurança, destinada a advertência e identificação, constituído de cartões, placas, avisos ou etiquetas;
• Equipotencialização;
• Isolação e delimitação da área de serviço, ou equipamento sob manutenção, evitando que o trabalhador adentre por engano em área energizada.
2.2.3 MEDIDAS DE PROTEÇÃO INDIVIDUAL
As medidas de proteção individual se dão mediante o uso de Equipamentos de Proteção Individual (EPI’s), constituídos por equipamentos ou dispositivos de uso individual utilizados pelo trabalhador para a sua própria proteção contra a exposição aos riscos durante a realização de suas atividades. Devem conter Certificado de Aprovação (CA) e Certificado de Registro do Fabricante (CRF), emitidos pelo Ministério do Trabalho e Emprego, sendo os mais utilizados:
• Capacete de proteção tipo aba frontal utilizado para proteção da cabeça;
• Calçado de segurança utilizado para proteção dos pés contra torção, escoriações, derrapagens e umidade;
• Óculos de proteção para os olhos contra impactos mecânicos, partículas volantes e raios ultravioletas;
• Luva isolante de borracha utilizada para a proteção contra choque elétrico; • Cinto de segurança que deve ser utilizado em atividades com mais de dois metros de altura do piso, e sempre que haja risco de queda;
• Vestimentas de trabalho para proteção do corpo do trabalhador contra queimaduras e/ou explosões provenientes de acidentes com choque ou arco elétrico.
2.3 NORMAS DE SEGURANÇA ELÉTRICA
Substancialmente, as normas mais relevantes utilizadas no Brasil para estabelecer padrões mínimos de segurança em eletricidade são a NR 10 e a NBR 5410.
2.3.1 NR 10 – SEGURANÇA EM INSTALAÇÕES E SERVIÇOS EM ELETRICIDADE
A NR 10, oficializada pela portaria nº 598, de 7 de dezembro de 2004, publicada no diário Oficial da União, apresenta preocupações com a mitigação de problemas causados por choque elétrico direto, tratando de uma forma bem abrangente as medidas protetivas prescritas em relação a sinalizações, bloqueios elétricos e utilização de EPI´s.
A Norma Regulamentadora NR 10, estabelece em seu item 10.1 como objetivo principal:
“10.1.1 Esta Norma Regulamentadora – NR estabelece os requisitos e condições mínimas objetivando a implementação de medidas de controle e sistemas preventivos, de forma a garantir a segurança e a saúde dos trabalhadores que, direta ou indiretamente, interajam em instalações elétricas e serviços com eletricidade.”
Além de ser uma exigência legal, é de vital importância a conscientização dos trabalhadores sobre o emprego dos procedimentos de segurança em intervenções nas instalações elétricas com a finalidade de manter a integridade física bem como prevenir e minimizar acidentes. Ressaltando que atos e/ou condições inseguras contribuem para ocorrência de acidentes envolvendo eletricidade.
Condições inseguras são caracterizadas pelas condições presentes no ambiente de trabalho, que possibilitem acidentes e que por algum motivo coloquem em risco a integridade física do trabalhador. São falhas técnicas presentes no ambiente, equipamentos, ferramentas ou ainda, ausência ou insuficiência de equipamentos de proteção individual e/ou coletiva utilizados na prestação de serviços.
Atos inseguros são provocados por fator humano, ou seja, vincula-se a forma que o trabalhador está executando o trabalho, assumindo involuntariamente o risco de acidentes.
A NR 10 refere, em seu item 10.2, a necessidade do exercício de medidas de controle expressando a seguir:
“10.2.1 Em todas as intervenções em instalações elétricas devem ser adotadas medidas preventivas de controle do risco elétrico e de outros riscos adicionais, mediante técnicas de análise de risco, de forma a garantir a segurança e a saúde no trabalho.”
O item 10.2.8 estabelece o uso de medidas de proteção coletiva expressando:
“10.2.8.1 Em todos os serviços executados em instalações elétricas devem ser previstas e adotadas, prioritariamente, medidas de proteção coletiva aplicáveis, mediante procedimentos, às atividades a serem desenvolvidas, de forma a garantir a segurança e a saúde dos trabalhadores.”
As medidas de proteção coletivas aplicáveis compreendem basicamente a desenergização elétrica da rede ou circuito, e na sua impossibilidade, o emprego da tensão de segurança. A desenergização é um conjunto de ações sequenciadas a fim de garantir ausência de tensão no circuito, durante o tempo de intervenção e sob controle dos trabalhadores. Já o emprego da tensão de segurança consiste na redução da tensão do circuito ou isolamento do sistema. Na sua impossibilidade se utilizam outras medidas de controle, dentre elas: a isolação de partes vivas, emprego de obstáculos e barreiras, sinalizações, sistema de seccionamento automático de alimentação ou bloqueio de religamento.
Em situações que medidas de controle coletivas, não ofereçam proteção completa contra possíveis riscos de acidentes, o emprego de equipamento de proteção individual torna-se obrigatório, como cita a norma NR 10, no item 10.2.9.1:
“Nos trabalhos em instalações elétricas, quando as medidas de controle e proteção coletivas forem tecnicamente inviáveis ou insuficientes para controlar riscos, devem ser adotados equipamentos de proteção individual específicos e adequados às atividades desenvolvidas em atendimento ao disposto na NR-6.”
A norma NR 6, item 6.1, considera Equipamento de Proteção Individual (EPI), o dispositivo ou produto de uso individual do trabalhador, destinado à proteção de riscos suscetíveis de ameaçar a segurança e a saúde do trabalhador. Cabe salientar a vedação do uso de adornos pessoais no trabalho com instalações elétricas ou em suas proximidades. Os equipamentos de proteção individual fornecidos aos trabalhadores para a execução de serviços
que envolvam eletricidade, de fabricação nacional ou importada, devem possuir um certificado de aprovação, comprovando que o equipamento foi testado por órgão competente, atestando a qualidade pelo Ministério do Trabalho e Emprego. A Consolidação das Leis do Trabalho (CLT) em seu artigo 157, ressalta caber as empresas cumprir e fiscalizar o emprego das normas de segurança e medicina do trabalho, além do treinamento e instrução do trabalhador, quanto aos riscos e precauções a serem tomadas de forma a evitar acidentes envolvendo eletricidade.
2.3.2 NBR 5410 – INSTALAÇÕES ELÉTRICAS DE BAIXA TENSÃO
Além da NR 10, outra norma que trata de segurança em eletricidade é a NBR 5410, que estabelece condições de segurança nas instalações de baixa tensão, com valores de 1000 volts em CA e 1500 volts em CC, abrangendo consumidores e instalações elétricas de pequeno porte.
Para cobrir eventos oriundos de choques elétricos mediante contato indireto, surge como referência a NBR 5410, inspirada na norma internacional IEC 60364 (Electrical Installations for Buildings).
A NBR 5410 em seu item 5.1.3.2 dispõe sobre o uso de dispositivo diferencial residual de alta sensibilidade:
“5.1.3.2.1.1 O uso de dispositivos de proteção a corrente diferencial residual com corrente diferencial residual nominal igual ou inferior a 30 mA é reconhecido como proteção adicional contra choques elétricos. NOTA: A proteção adicional provida pelo uso de dispositivo diferencial residual de alta sensibilidade visa casos como os de falha de outros meios de proteção e de descuido ou imprudência do usuário.”
A NBR 5410 vem de forma a suplementar a NR 10, dispor que a forma de proteger o colaborador contra choque direto e indireto se dá por meio da proteção supletiva, ou seja, por meio de seccionamento automático da alimentação associado a outros métodos. O risco associado ao contato indevido acidental com componentes elétricos energizados, ou por falhas que possam colocar uma massa acidentalmente exposta ao choque elétrico, são eficazmente protegidos pelo uso de dispositivos de corrente diferencial residual aplicados aos circuitos.
Lembrando que a proteção diferencial residual deve ser de alta sensibilidade, ou seja, o valor da corrente diferencial residual deve ser igual ou inferior a 30 mA. Este dispositivo é composto por um sensor que verifica a corrente elétrica do circuito constantemente, acusando qualquer diferença provocada por eventual fuga de corrente, que fará atuar um dispositivo de seccionamento automático resultando na desenergização do circuito. Os tempos de atuação são
inversamente proporcionais aos valores da corrente de fuga. A NBR 5410 estabelece que o tempo de atuação para dispositivos diferenciais residuais de alta sensibilidade sejam inferiores a 40 milissegundos, com a finalidade de eliminação do risco de corrente de fuga elevada, mantendo os níveis de integridade e segurança.
Na categoria de dispositivos de proteção diferenciais residuais estão os GFCIs (Ground Fault Circuit Interrupter), que segundo Matthew N. O. Sadiku, Sarhan M. Musa, Charles K. Alexander no livro Análise de Circuitos Elétricos com Aplicações, conceitua e recomenda:
“....se mais corrente entra pelo circuito pelo condutor vermelho do que deixa pelo condutor neutro, há corrente de fuga para terra. O GFCI é capaz de detectar uma fuga tão pequena como 5 mA e pode desligar o circuito dentro de 0,0025s (25 ms), ajudando a prevenir sérios choques elétricos. Você deveria seriamente considerar a adição de GFCIs a qualquer circuito com perigo de choque. Um GFCI deve ser previsto em cada local onde alguém pode se ferir ou o ambiente pode ser úmido ou molhado. Uma pessoa pode inadvertidamente completar o circuito com a terra entrando em contato com o condutor vermelho...”
2.4 SISTEMAS DE PROTEÇÃO EMPREGADOS EM ELEVADORES
Especificamente no ramo de elevadores são cumpridos os requisitos das normas NR 10 e NBR 5410 utilizando técnicas de análise e medidas de controle cabíveis. Desde o momento do acesso a instalação, até a finalização dos serviços, os colaboradores fazem o uso de EPI´s, dentre eles:
• Luvas de proteção, inclusive dielétricas; • Óculos de segurança;
• Capacete ou boné de segurança; • Sapatos de segurança;
• Uniformes com proteção.
Adicionalmente, procedimentos de bloqueio elétrico são efetuados a fim de que o equipamento seja desenergizado para efetuar a manutenção preventiva.
Cabe enfatizar alguns pontos importantes sobre a retirada da eletricidade para que os serviços sejam efetuados com segurança. A desenergização consiste num conjunto de ações coordenadas, sequenciadas e controladas, eliminando a energia elétrica no circuito, durante a execução do serviço sob controle dos trabalhadores envolvidos. Para manutenção preventiva somente será considerado desenergizado o controle do elevador, deixando-o liberado para trabalho, mediante os seguintes procedimentos:
• Seccionamento. Representa o ato de promover a descontinuidade elétrica total, com afastamento adequado, obtido mediante o acionamento do disjuntor geral de alimentação.
• Impedimento de reenergização. Condiz ao estabelecimento de condições que impedem, de modo reconhecidamente garantido, a reenergização do circuito ou equipamento desenergizado, assegurando ao trabalhador o controle do seccionamento. Na prática compreende a aplicação de travamentos mecânicos, por meio de cadeados e dispositivos auxiliares de travamento. Deve-se utilizar um sistema de travamento para o dispositivo de seccionamento ou para o quadro de energia elétrica a fim de impedir de reenergização involuntária ou acidental do circuito. Aplicam-se placas de sinalização alertando sobre a proibição da ligação da chave e indicação que o circuito está em manutenção. O risco de energizar inadvertidamente o circuito é grande em atividades que envolvam equipes diferentes, onde mais de um empregado estiver trabalhando. Nesse caso a eliminação do risco é obtida pelo emprego de tantos bloqueios quantos forem necessários para execução da atividade. O circuito será novamente energizado quando o último empregado concluir o serviço e destravar os bloqueios. Após a conclusão dos serviços deverão ser adotados os procedimentos de liberação específicos.
• Constatação da ausência de tensão. Consiste na verificação da ausência de tensão nos condutores do circuito elétrico. Realizada com multímetros ou detectores de tensão, por contato ou por aproximação. Constatada a inexistência de tensão, deverão ser conectadas as garras de aterramento aos condutores fase, previamente desligados.
• Instalação da sinalização de impedimento de reenergização. Deverá ser adotada sinalização adequada de segurança, destinada a advertência e identificação da razão de desenergização e informações do responsável. Os cartões, avisos, placas ou etiquetas de sinalização do travamento ou bloqueio devem ser claros e adequadamente fixados.
Cumprindo esta sequência de atividades, serviços envolvendo eletricidade podem ser efetuados com segurança nos elevadores.
Somente após a conclusão dos serviços e verificação de ausência de anormalidades, o trabalhador providenciará a retirada de ferramentas, equipamentos e por fim o dispositivo individual de travamento e etiquetas de sinalização. Remove-se o aterramento provisório na ordem inversa a sua instalação, e mediante procedimentos de liberação do equipamento coloca-se o elevador novamente em operação.
Entretanto, cabe salientar que alguns trabalhos, por exemplo em eventos de manutenção corretiva, a energia torna-se necessária para identificação dos defeitos. Neste caso,
cuidados adicionais são tomados com a utilização de EPI’s essenciais como exemplo as luvas dielétricas.
No campo ferramental para proteção, existe o emprego e utilização do GFCI portátil, objeto deste estudo para proteção contra choques elétricos durante a utilização de ferramentas elétricas, que por presença de correntes de fuga a terra, devido a falha de operação ou isolação atuam interrompendo a energia elétrica, com a finalidade de manutenção da integridade e saúde do colaborador.
2.4.1 DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS DE PROTEÇÃO
Os dispositivos de proteção mais importantes no controle de riscos pertinentes ao choque elétrico são:
• Disjuntor diferencial residual – DDR;
• Interruptores de circuito por corrente de fuga à terra – GFCI.
Ambos fundamentados no mesmo princípio de funcionamento. O DDR aplicado de forma fixa, fazendo parte da instalação. Já o GFCI por ser portátil, permite aplicação remota e quando empregado, adequa proteção à instalação, garantindo operação com segurança.
2.4.1.1 Disjuntor Diferencial Residual - DDR
Para compreensão uma prévia abordagem sobre o funcionamento do disjuntor termomagnético se faz necessária. Basicamente no disjuntor existem dois meios de interrupção de energia elétrica: por sobrecarga ou curto circuito.
Na sobrecarga, construtivamente há uma lâmina bimetálica que dilata toda vez que é aquecida em função do valor da corrente. Essa lâmina se encurva de tal modo que age sobre uma alavanca, cujo deslocamento abre o circuito, interrompendo a passagem da corrente elétrica.
No caso de um curto circuito, o disparador magnético, que funciona como um ímã toda vez que por ele passa uma corrente, atrai a alavanca que por sua vez, abre o circuito elétrico. Em condições normais, ou melhor, quando o valor da corrente elétrica é abaixo daquele que vem indicado no disjuntor, o circuito elétrico não é interrompido.
Adicionando-se a disjuntor um módulo chamado diferencial residual (DR), ele passa a receber o nome de disjuntor diferencial residual (DDR). Além de proteger os condutores
elétricos contra sobrecarga e curto circuito, também protege as pessoas contra choques elétricos provocados por contatos diretos e indiretos.
O DR detecta pequenos desequilíbrios no circuito através das correntes residuais de fuga, desligando o circuito instantaneamente, destinando-se a proteção de pessoas contra os efeitos dos choques elétricos (SIEMENS, 2003).
No Japão, módulos DR foram adotados deste 1969. Dez anos depois com seu emprego em instalações verificou-se uma queda de 88% nas mortes por eletrocussão (CEMAR, 2003).
Segundo Cotrim, o DR de 30mA oferece proteção eficaz contra a fibrilação ventricular do coração humano (COTRIM, 2003).
O módulo DR tem seu princípio de funcionamento baseado na Primeira Lei de Kirchoff que estabelece que a soma algébrica dos valores instantâneos das correntes elétricas em um nó de um circuito é igual a zero, ou seja, a corrente diferencial residual no nó é nula. Sendo R’ a carga do circuito e R” a resistência do corpo humano que é atravessado pela corrente elétrica de fuga para a terra, a Figura 6 mostra um esquemático de fuga de corrente a terra.
Figura 6 – Esquema elétrico do circuito de fuga de corrente a terra
Fonte: VIANA, 2007.
No evento produzido por um choque elétrico, a corrente tende se elevar de acordo com as características da pele, fechando o circuito entre os pontos de carga e terra. Se este valor da corrente de fuga assumir valores acima de 30mA o módulo diferencial detecta essa
anormalidade e automaticamente abre o circuito, interrompendo a corrente elétrica, oferecendo proteção contra corrente diferencial residual.
O dispositivo de proteção é sensível e operado por corrente elétrica e tem por finalidade desligar da rede de fornecimento de energia, o equipamento ou instalação que ele protege de forma instantânea evitando danos físicos.
O dispositivo basicamente é constituído por um transformador de corrente, um disparador e o mecanismo liga/desliga. Todos os condutores necessários para levar a corrente ao equipamento, passam pelo transformador de corrente. Este transformador de corrente monitora constantemente o circuito quando energizado e na ocorrência do desequilíbrio provocado por eventual fuga de corrente a terra, este componente detecta o aparecimento da corrente residual, induzindo no enrolamento auxiliar corrente suficiente, que após processada por um circuito eletrônico, aciona um rele abrindo o circuito principal, eliminando a possibilidade do choque elétrico. A Figura 7 ilustra o diagrama elétrico funcional do dispositivo de proteção diferencial residual.
Figura 7 – Diagrama elétrico do dispositivo de proteção diferencial residual
Estudos determinaram graficamente algumas curvas características que relacionam a corrente de fuga a suas interferências no corpo humano. A Figura 8 apresenta estas faixas de valores de corrente elétrica e em destaque as curvas 5 e 6 como responsáveis por determinar o disparo e consequente atuação dos dispositivos diferenciais.
Figura 8 – Curva característica de disparo do dispositivo diferencial
Fonte: IEC479, 2016.
Cabe salientar que as curvas 5 e 6 limitam as faixas de valores de corrente elétrica perigosas para o ser humano. Resumidamente, as seis regiões graficamente demarcadas estão relacionadas aos seguintes efeitos físicos:
• Região 1 – Os valores de corrente de fuga em função do tempo de circulação pelo corpo, não têm influência no ritmo cardíaco e no sistema nervoso;
• Região 2 – A intensidade de corrente é suportável e inconveniente;
• Região 3 – Os efeitos fisiológicos produzidos são notáveis, podendo provocar parada cardiorrespiratória e contrações musculares, geralmente reversíveis;
• Região 4 – Elevada possibilidade de efeitos fisiológicos graves e irreversíveis de parada respiratória a fibrilação ventricular;
• Regiões 5 e 6 – Representa a faixa de atuação dos dispositivos ou disjuntores residuais.
A faixa hachurada entre 10 e 30 miliamperes, identifica os valores de corrente elétrica em que o dispositivo deverá operar em caso de contato involuntário com partes condutoras pertencentes aos circuitos elétricos dos aparelhos, ou mesmo, caso haja contato por intermédio de falha de isolamento do equipamento.
Por fim, os dispositivos diferenciais apresentam em sua construção um elemento, geralmente um botão de teste que permite que os mesmos sejam previamente verificados em sua eficácia, de tal modo que haja prévia certificação de que o dispositivo opere dentro de suas especificações, evidenciando a proteção.
2.4.1.2 Interruptores de Circuito por Corrente de Fuga à Terra - GFCI
O item 5 da NBR 5410 trata da proteção das pessoas no uso da eletricidade. Recomenda a utilização de barreiras, invólucros, isolação das partes vivas, separação elétrica individual e outras determinações. Dentro deste escopo o emprego obrigatório do dispositivo de proteção diferencial residual.
Entretanto, grande parte das instalações seja por serem antigas ou simples negligência não possuem dispositivos diferenciais residuais em seus circuitos, deixando trabalhadores expostos a choques elétricos em função de falhas de isolação, permitindo contato com correntes de fuga a terra, ocasionando potenciais acidentes e danos à saúde.
Para preencher essa lacuna dispositivos de proteção portáteis são disponibilizados aos trabalhadores para permitir procedimentos seguros em locais remotos, durante o uso de ferramentas elétricas com segurança, oferecendo proteção aos trabalhadores.
Com princípio de funcionamento similar ao disjuntor residual, o GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter) é um interruptor diferencial portátil que se insere entre qualquer tomada sem proteção diferencial residual e um dispositivo ou ferramenta elétrica. Sua sensibilidade é da ordem de 10 a 30 miliamperes para correntes de fuga a terra, com capacidade de suportar correntes de carga da ordem de 15 A.
Para garantir proteção contra choques elétricos, empresas que tem preocupação com a segurança de seus colaboradores, disponibilizam estes dispositivos portáteis para uso em instalações elétricas de terceiros, adequando o ambiente a norma durante o exercício da atividade, por exemplo, no manuseio de uma furadeira elétrica, mesmo a tomada local não sendo protegida por disjuntor residual, com o uso do GFCI, a operação torna-se segura com proteção diferencial residual adequada.
A Figura 9 ilustra um GFCI, que configura numa solução de proteção remota que garante as determinações preconizadas na NBR 5410 em instalações que ainda não estão em conformidade.
Figura 9 – GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter)
3 DESENVOLVIMENTO
Diante da importância do tema, visto se tratar da preservação e manutenção da vida daqueles que utilizam a eletricidade diariamente em suas atividades, empresas preocupadas com a saúde e a integridade de seus colaboradores adotam o GFCI como ferramenta para evitar choques elétricos. Como exemplo, citamos algumas empresas de manutenção de elevadores que fazem o uso deste componente em suas atividades diárias, exigindo que seus técnicos o utilizem ao ligarem uma lâmpada, um ferro de solda, ou uma furadeira. Dessa forma eventuais fugas de corrente a terra são detectadas evitando que o colaborador sofra efeitos do choque elétrico.
Como principal vantagem principal cita-se a segurança, acompanhado da desvantagem pertinente ao custo de aquisição associada a questões relativas a padronização. Exemplificando pode-se citar o tipo de tomada, visto tal componente ser produzido geralmente em outros países, cujo padrão difere do regulamentado no território brasileiro. Um estudo e compreensão sobre o tema pode gerar um componente otimizado tangíveis a custos e que atenda não somente a segurança, mas também as exigências nacionais, o qual será explanado no decorrer deste trabalho.
3.1 SOLUÇÕES DE MERCADO
No mercado são encontrados diversos modelos de interruptores diferenciais residuais, com similares princípios de operação e finalidade: a de proteção contra efeitos do choque elétrico. Os interruptores diferenciais residuais podem ser aplicados nas instalações de forma fixa ou portátil. As diferenças entre os modelos existentes compreendem algumas variáveis como: dimensões, peso, capacidade de carga, custo, entre outros.
A fim de adequar as instalações desprovidas de proteção diferencial residual se introduz ao circuito o modelo portátil. Ele faz a interface entre a instalação física, desprovida de segurança, e o componente elétrico a ser alimentado. Um destes modelos é o produto fabricado pela empresa Emerson, com suas principais características:
• Construção portátil permitindo o uso de ferramentas elétricas; • Ideal para uso interno ou externo;
• Reconfiguração manual após a ocorrência de condições de desligamento ou falta de energia, de modo a evitar a partida não monitorada do equipamento;
• Nível de acionamento de 4 a 6 milliamperes; • Proporciona proteção a circuitos de 3 fios; • Indicador de acionamento mecânico “ON”; • Construção robusta;
• Aterramento neutro típico (4 Ohms);
• Supressão da interferência de radiofrequência para proteção contra acionamentos indesejados.
A Figura 10 ilustra o modelo de GFCI comercializado pela fabricante Emerson.
Figura 10 – GFCI comercializado pela fabricante Emerson
Fonte: EMERSON, 2020.
Outra solução disponibilizada pelo mercado consiste no modelo de uso fixo, ou seja, permanece integrado a instalação elétrica existente, permitindo proteção permanente. Como citação, o modelo fabricado pela Phoenix Contacts denominado DIN RAIL DUAL OUTLET apresenta as seguintes características construtivas:
• Tempo de resposta de 25 milissegundos a 4,6 miliamperes; • Capacidade de corrente de 15 a 20 amperes;
• Tensão de operação de 120 a 250 volts; • Custo aproximado de quarenta dólares.
A Figura 11 ilustra o componente comercializado pela empresa Phoenix Contacts.
Figura 11 – Modelo comercializado pela fabricante Phoenix Contacts
Fonte: PHOENIX ,2020
Outra solução interessante pelo seu aspecto inovador, refere-se ao modelo diferenciado do tipo torre. É produzido na cidade de Zhejiang, localizada na China, pela empresa Sinoamigo. Além de sua função principal de proteção, performa um design para ser aplicado em diversos ambientes: comercial, industrial, hospitalar, laboratorial ou residencial. Suas características compreendem:
• Capacidade de corrente nominal de 10 a 25 amperes;
• Plugue com soquete para corrente alternada personalizado de acordo com o padrão do país solicitante;
• Frequência de operação de 50 ou 60 Hertz; • Aterramento padrão;
• Tensão de trabalho de 110 a 240 volts;
• Nível de proteção IP54 conta respingos de água;
• Custo estimado de trinta e quatro a cinquenta dólares, de acordo com especificação no ato da contratação.
A Figura 12 mostra a praticidade e funcionalidade do interruptor residual da Sinoamigo.
Figura 12 – Modelo comercializado pela fabricante Sinoamigo
Fonte: SINOAMIGO, 2020
3.2 SOLUÇÃO DESENVOLVIDA
Partindo do conhecimento adquirido e analogamente considerando o estudo das soluções apresentadas pelo mercado, o desenvolvimento do protótipo em questão, substancialmente, procurou se fundamentar nos seguintes parâmetros a serem observados e atingidos:
• Facilidade de aquisição dos componentes eletrônicos empregados; • Redução do número de componentes eletrônicos;
• Máxima simplificação no circuito elétrico;
• Redução de custo em comparação as soluções existentes no mercado; • Funcionalidade segura;
• Manutenção das dimensões e peso.
Partindo destas premissas, a fim de parametrizar a solução, iniciou-se a fase de desenvolvimento de um circuito elétrico para simulação, primeiramente em um ambiente virtual para verificar as potencialidades de sua eficácia, para num segundo momento prover a execução da montagem do protótipo.
3.2.1 O CIRCUITO ELÉTRICO
A subdivisão de um problema em partes proporciona melhor entendimento da solução desenvolvida. Para dirimir todas as informações, cabe extratificar o esquema elétrico em partes, de tal forma que todo circuito seja subdividido em quatro principais seções, com as seguintes funcionalidades:
1 – Fonte de alimentação do circuito;
