UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DANDARA DE OLIVEIRA
RISCOS ELÉTRICOS: UMA ABORDAGEM SOBRE O ARCO ELÉTRICO E ESTUDO DE CASO
Ijuí 2020
DANDARA DE OLIVEIRA
RISCOS ELÉTRICOS: UMA ABORDAGEM SOBRE O ARCO ELÉTRICO E ESTUDO DE CASO
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheira Eletricista.
Orientadora: Prof. Me. Caroline Daiane Radüns
Ijuí 2020
DANDARA DE OLIVEIRA
RISCOS ELÉTRICOS: UMA ABORDAGEM SOBRE O ARCO ELÉTRICO E ESTUDO DE CASO
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRA ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 10 de julho de 2020
Caroline Daiane Radüns Mestre, pela Universidade de Passo Fundo - Orientadora Caroline Daiane Radüns Coordenadora do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA
Eliseu Kotlinski Mestre, pela Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul
Dedico este trabalho aos meus pais, que tanto me apoiaram e incentivaram nessa etapa da minha vida.
AGRADECIMENTOS
A minha família pelo apoio constante e incentivo diário, onde sempre tiveram a compreensão quando em alguns momentos não pude estar presente por vários motivos, como, noites de aulas, estudos, trabalhos e provas.
Aos meus amigos e colegas, pelo companheirismo dentro e fora da sala de aula. Em especial a minha parceira de curso, Iady Lorenzoni da Silva, e a minha colega e amiga pra vida, Catherine Marquioro de Freitas, por todo o apoio e incentivo.
A minha orientadora Me. Caroline Daiane Radüns, pelo estímulo e pelas trocas de conhecimento e ideias durante a minha vida acadêmica.
A todos os professores da UNIJUÍ, que com suas experiências, dedicam parte do seu tempo a formar novos profissionais para o mundo.
“A única história que vale alguma coisa é a história que fazemos hoje.” Henry Ford
RESUMO
OLIVEIRA, Dandara de. Riscos Elétricos: uma abordagem sobre o arco elétrico e estudo
de caso. 2020. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade
Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2020.
A saúde e a segurança dos trabalhadores, de qualquer área de serviço, devem ser postas em primeiro lugar. As atividades de manobras envolvendo eletricidade deveriam ser realizadas após a desenergizarão da instalação, porém, nem sempre isso é possível. Desse modo, as atividades em instalações energizadas devem ser protegidas por medidas de controle de riscos. Os critérios de proteção devem ser eficazes e atender as normas para que a vida do trabalhador não esteja em risco. Um dos riscos associados a essas atividades é o arco elétrico e a energia incidente oriunda dele. O presente trabalho de conclusão de curso tem como objetivos apresentar o fenômeno do arco elétrico, bem como os métodos matemáticos para o cálculo de energia incidente, além de apresentar as normas nacionais e internacionais que tratam sobre arco elétrico. Por fim é aplicada a metodologia mais adequada para determinar o nível de energia incidente de uma instalação real, determinando a distância segura de trabalho e definindo a categoria de risco, bem como os equipamentos de proteção individuais necessários.
ABSTRACT
OLIVEIRA, Dandara de. Electrical Risks: an approach to the electric arc and a case study. 2020. Course Completion Work. Electrical Engineering Course, Regional University of the Northwest of the State of Rio Grande do Sul - UNIJUÍ, Ijuí, 2020.
The health and safety of workers, from any service area, must be placed first. Maneuver activities involving electricity should be carried out after the installation is de-energized, however, this is not always possible. Therefore, activities in energized installations must be protected by risk control measures. The protection criteria must be effective and meet the standards so that the worker's life is not at risk. One of the risks associated with these activities is the electric arc and the incident energy from it. The purpose of this course conclusion paper is to present the electric arc phenomenon, as well as the mathematical methods for calculating incident energy, in addition to presenting national and international standards that deal with electric arc. Finally, the most appropriate methodology is applied to determine the incident energy level of a real installation, determining the safe working distance and defining the risk category, as well as the necessary personal protective equipment.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Acidentados por arco elétrico por área. ... 17
Figura 2 - Arco elétrico ... 21
Figura 3 - Comportamento do arco elétrico... 21
Figura 4 - Transferência de energia radiante durante um arco elétrico ... 25
Figura 5 - Características da formação do arco elétrico ... 26
Figura 6 - Manequins posicionados na sala de teste ... 26
Figura 7 - Exposição dos manequins ao arco elétrico ... 27
Figura 8 - Resultados obtidos através dos sensores ... 27
Figura 9 - Tolerância do tecido humano à elevação de temperatura em função do tempo (curva de Stoll) ... 28
Figura 10 - Diagrama fasorial da tensão e corrente para diferentes comprimentos de arco ... 29
Figura 11 - Teste em área aberta ... 31
Figura 12 - Teste em área fechada ... 32
Figura 13 - Energia incidente em áreas abertas e fechadas em função da corrente de falta ... 32
Figura 14 - Regra dos nove ... 40
Figura 15 - Classificação das queimaduras ... 41
Figura 16 - Metodologia proposta ... 45
Figura 17 - Diagrama unifilar do trecho em estudo... 47
Figura 18 – Interface para cálculo de arco elétrico ... 50
Figura 19 - Transformador da instalação em análise ... 57
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Dados do Relatório de Estatística de Acidentes do Setor Elétrico Brasileiro. ... 16
Tabela 2 - Comparação entre arco elétrico e fogo repentino ... 24
Tabela 3 - Relação entre distância e potência do arco ... 30
Tabela 4 - Tempo de operação de disjuntores ... 35
Tabela 5 - Classes dos equipamentos e distância de trabalho ... 36
Tabela 6 - Fatores para equipamentos e classes de tensão ... 36
Tabela 7 - Limites de aplicação dos métodos ... 37
Tabela 8 - Regra dos noves para cálculo da superfície queimada do corpo humano ... 40
Tabela 9 - Especificação dos equipamentos de proteção individual em função das categorias de risco ... 42
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Resumo dos métodos de cálculo ... 38 Quadro 2 - Vestimentas de proteção e EPIs ... 43
ABREVIATURAS
ABRACOPEL – Associação Brasileira de Conscientização dos Perigos de Eletricidade ASTM – American Society for Testing and Material
ATPV – Arch Thermal Performance Value CCM – Centro de Controle de Motores CLT – Consolidação das Leis do Trabalho
CSJT – Conselho Superior da Justiça do Trabalho EPI – Equipamento de Proteção Individual
FUNCOGE – Fundação Comitê de Gestão Empresarial GUI – Graphical User Interface
IEEE – Institute of Electrical and Electronic Engineers NBR – Norma Brasileira
NFPA – National Fire Protection Association NR – Norma Regulamentadora
OSHA – Occupational Safety and Health Administration QGBT – Quadro Geral de Baixa Tensão
SCQ – Superfície Corporal Queimada TST – Tribunal Superior do Trabalho
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 14 1.1 OBJETIVOS ... 15 1.1.1 OBJETIVO GERAL ... 15 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 15 1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 15 2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 16
2.1 ACIDENTES DE ORIGEM ELÉTRICA ... 16
2.1.1 REGULAMENTAÇÃO ... 18
2.1.1.1 Normas internacionais ... 18
2.1.1.2 Normas nacionais ... 19
2.2 O ARCO ELÉTRICO ... 20
2.2.1 FATORES QUE CAUSAM O SURGIMENTO DO ARCO ELÉTRICO .. 22
2.2.2 ENERGIA INCIDENTE ... 23
2.2.3 OUTROS RISCOS ASSOCIADOS AO ARCO ELÉTRICO ... 25
2.3 METODOLOGIAS DE CÁLCULO DA ENERGIA INCIDENTE ... 27
2.3.1 MÉTODO DE RALPH LEE ... 28
2.3.2 MÉTODO DE DOUGHTY E NEAL ... 30
2.3.3 MÉTODO IEEE 1584 ... 33
2.3.3.1 Corrente de curto circuito ... 33
2.3.3.2 Cálculo da energia incidente normalizada ... 34
2.3.3.3 Cálculo da energia incidente ... 35
2.3.3.4 Distância Segura ... 37
2.3.4 COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS ... 37
2.4 VESTIMENTAS ANTICHAMAS ... 39
2.4.2 DETERMINAÇÃO DAS VESTIMENTAS ANTICHAMAS ... 41
3 RESULTADOS ... 45
3.1 METODOLOGIA ... 45
3.2 DADOS DO SISTEMA ... 46
3.3 ENERGIA INCIDENTE E VESTIMENTAS ANTICHAMAS ... 47
3.3.1 CÁLCULO DA CORRENTE DE CURTO CIRCUITO ... 47
3.3.2 CÁLCULO DA ENERGIA INCIDENTE NORMALIZADA ... 48
3.3.3 CÁLCULO DA ENERGIA INCIDENTE E DA DISTÂNCIA SEGURA . 48 3.4 DESENVOLVIMENTO DA INTERFACE GRÁFICA ... 49
4 CONCLUSÃO ... 52
4.1 PROPOSTA DE CONTINUIDADE ... 52
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 53
APÊNDICE A - Coleta de dados ... 57
1 INTRODUÇÃO
A eletricidade tem grande importância no mundo, na medida em que contribui para facilitar o cotidiano das pessoas, promovendo maior conforto e facilitando a execução de tarefas diárias. Ela também é a maior fonte de energia usada no avanço das ciências e da tecnologia, sendo a matéria prima nos vários segmentos da economia e da indústria. Contudo, as atividades que envolvem energia elétrica são, na maioria das vezes, muito perigosas, tanto para instalações e equipamentos, quanto para pessoas, tornando-se indispensável que medidas de controle e prevenção contra riscos elétricos sejam adotadas.
O tema escolhido surgiu a partir da preocupação em relação as atividades de manobras envolvendo eletricidade, onde a saúde e a segurança dos trabalhadores devem ser preservadas. Um dos riscos associados a essas atividades é o arco elétrico e a energia incidente oriunda dele, portanto, medidas de proteção para minimizá-lo devem ser adotadas, visando mais segurança as pessoas que realizam atividades sujeitas a esse tipo de risco.
O arco elétrico utilizado em aplicações controladas, tais como a solda à fornos a arco, por exemplo, é uma ocorrência desejável, já que tem aplicabilidade na indústria. Já o arco elétrico que provém de curtos circuitos trifásicos ou outros tipos de falhas, é um fenômeno indesejável que ocorre de forma descontrolada, causando vários danos aos indivíduos próximos a ele.
Nas últimas décadas a preocupação com a segurança do trabalhador na área elétrica aumentou. Sendo assim, estudos relacionados a medidas de controle aos riscos e modificações tanto em normas técnicas quanto na legislação foram implementadas, tornando-as cada vez mais restritivas. Por outro lado, os riscos associados ao arco elétrico ainda necessitam de mais atenção, tendo em vista que esse fenômeno causa muitas consequências.
O engenheiro Ralph Lee (1982) abordou o tema arco elétrico e seus riscos para as pessoas. Ele desenvolveu um modelo teórico relacionado a queimaduras do corpo humano causado por um arco elétrico. Durante um curto circuito a temperatura do arco elétrico, pode alcançar 4 vezes a temperatura da superfície do sol, chegando a 20.000°C, sendo o segundo fenômeno com maior elevação de temperatura produzido pelo homem. Essa elevada temperatura pode causar graves queimaduras no corpo humano, podendo levar o indivíduo a morte. (LEE, 1982)
“Os acidentes continuam acontecendo, quer seja pela omissão de parte do empregador, quer seja pela ação insegura dos trabalhadores, que muitas vezes negligenciam as normas aplicáveis e seus requisitos, gerando afastamentos e até mortes.” (KASSEM, 2013)
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 OBJETIVO GERAL
Realizar um estudo sobre arco elétrico e energia incidente seguido de um estudo de caso. 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Estudar os conceitos de arco elétrico e cálculo de energia incidente, revisando a bibliografia acerca do tema, considerando normas técnicas, legislação, artigos e estudos anteriores;
• Realizar o cálculo de energia incidente em uma instalação real;
• Determinar o grau de proteção das vestimentas antichamas a partir do estudo de caso.
1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
O trabalho está estruturado em cinco capítulos. No capítulo 1 é abordada a contextualização do tema, mostrando sua relevância, além do objetivo geral e específico do trabalho. No capítulo 2 apresenta-se o referencial teórico imprescindível para o desenvolvimento do trabalho. Conceitos de arco elétrico e energia incidente, fatores que ocasionam o surgimento do fenômeno e os riscos relacionados ao arco elétrico.
Tem-se também no capítulo 2 as metodologias de cálculo de energia incidente, iniciando-se pelo método de Ralph Lee, em seguida o método de Doughty e Neal, e por fim o método IEEE 1584, que será utilizado no estudo de caso. Além disso, há uma comparação entre os três métodos citados. Apresenta-se os conceitos e definições relacionados às vestimentas de proteção contra os efeitos térmicos decorrentes do arco elétrico, como a tolerância da pele humana ao calor e a determinação das vestimentas antichamas através do valor da energia incidente. Bem como, as normas internacionais e brasileiras que se aplicam ao tema.
No capítulo 3 apresenta-se a metodologia proposta para o desenvolvimento do estudo de caso. Além disso, apresenta-se o estudo feito em uma instalação real. Demonstrando os cálculos realizados para determinar o nível de energia incidente à qual o local em estudo está susceptível, assim como, a determinação da categoria de risco e das vestimentas necessárias. Por último, é apresentada a interface gráfica criada como uma plataforma interativa de cálculo. Por fim, o capítulo 4 contém as conclusões do trabalho e propostas de continuidade para outros estudos nesse segmento.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 ACIDENTES DE ORIGEM ELÉTRICA
A FUNCOGE - Fundação Comitê de Gestão Empresarial (2013 apud KASSEM, 2013) elaborou um relatório sobre a estatística 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 2010.
Conforme esses dados, percebe-se que não houve redução de acidentes ao longo dos anos, e que o número de trabalhadores envolvidos em acidentes fatais cresceu, principalmente relacionados a trabalhadores efetivados. Isso mostra que há uma ineficiência, ou até a de falta de conhecimento das normas de segurança para trabalhos que envolvem esse tipo de risco.
Tabela 1 - Dados do Relatório de Estatística de Acidentes do Setor Elétrico Brasileiro.
Indicadores Ano 1999 2003 2007 2010 1. Nº de empregados (média) 111.166 97.399 103.672 104.857 2. Horas-homem de exposição ao risco 229.698.944 197.324.616 201.981.289 207.109.916 3. Acidentes típicos
Acidentados com afastamento 1.245 994 906 741
Acidentados sem afastamento 1.023 1.050 897 651
Total 2.269 2.044 1.803 1.392
Consequência Fatal 26 14 12 7
Taxa de Frequência 5,42 5,04 4,49 3,58
Taxa de Gravidade 903 638 538 337
4. Tempo computado total
(dias) 207.477 125.826 108.756 69.853
5. Nº de empregados das
contratadas (média) - 39.649 112.068 127.584
6. Acidentados das contratadas
Consequência Fatal 49 66 59 72
7. Acidentados da população
Consequência Fatal - 323 324 308
Fonte: Adaptado de FUNCOGE apud KASSEM (2013)
Segundo a ABRACOPEL - Associação Brasileira de Conscientização dos Perigos de Eletricidade (2018) “Entre os anos de 2013 e 2017 houve um aumento de 33,6% de acidentes
envolvendo energia elétrica no Brasil. A falta de cuidado, conhecimento e descaso da população são os principais motivos para este aumento.”
Só no ano de 2017 foram registrados 1.387 casos de acidentes envolvendo eletricidade em todo Brasil, destes, mais de 50% foram fatais (ABRACOPEL, 2018). Já em 2018, foram registrados 1.424 acidentes com origem elétrica em todo o país, dentre eles 836 acidentes por choques, 537 incêndios por sobrecarga ou curto-circuito e 51 acidentes devido as descargas atmosféricas. Representando um aumento de 2,67% em comparação ao ano de 2017 e de 37,2% em relação a 2013. (CRUZ, 2019)
A Figura 1 apresenta a estatística do número de acidentados por arco elétrico por área, entre os anos de 1999 e 2011. Percebe-se que a estatística é desfavorável para as empresas de distribuição, diferente da área de geração, onde a estatística é bem mais favorável. (FUNCOGE, 2013 apud KASSEM, 2013)
Figura 1 - Acidentados por arco elétrico por área.
Fonte: Adaptado de FUNCOGE apud KASSEM (2013)
Além das perdas intangíveis, o Brasil gasta bilhões por ano em indenizações e tratamentos decorrentes dos acidentes de trabalho. De acordo com os dados do Observatório Digital de Saúde e Segurança do Trabalho, entre 2012 e 2018 a Previdência Social gastou mais de R$ 26 bilhões com benefícios acidentários (auxílio doença, aposentadoria por invalidez, pensão por morte e auxílio acidente). Nesse mesmo período, houve o registro de cerca de quatro milhões de acidentes, dos quais apenas 646 mil em média, por ano, envolveram trabalhadores formais. (TST; CSJT, 2018)
Conforme a Fundação Comitê de Gestão Empresarial (2010, apud MACEDO et al., 2017) foram geradas 558.824 horas de trabalho perdidas, em decorrência dos acidentes com lesão. Os acidentes sem perda de tempo e os acidentes com e sem danos materiais, geraram um custo estimado, direta e indiretamente, de R$ 381.048.115,00.
Após a análise dos dados expostos pode-se perceber que os acidentes envolvendo eletricidade são frequentes, e as consequências vão desde as queimaduras mais leves até as lesões mais complicadas que muitas vezes pode resultar em morte.
Fica claro que o Brasil ainda não possui dados estatísticos que representam adequadamente todo o espectro dos acidentes envolvendo arco elétrico, sendo assim, fica evidente a necessidade e a importância da conscientização sobre os riscos do mesmo. Por isso é importante que o trabalhador que desenvolve esse tipo de atividade receba o devido treinamento quanto aos procedimentos, seguindo as recomendações impostas pelas normas de segurança do trabalho, para que os riscos associados ao arco elétrico sejam minimizados. 2.1.1 REGULAMENTAÇÃO
2.1.1.1 Normas internacionais
Segundo Phillips (2009), no ano de 1970 o Congresso dos Estados Unidos aprovou a Lei de Segurança e Saúde Ocupacional, com o intuito de reduzir o número de lesões e mortes relacionadas aos acidentes de trabalho. A Occupational Safety and Health Administration (OSHA) é a responsável pelas regulamentações e pela aplicação das normas de segurança do trabalho nos Estados Unidos.
No ano de 1976, a pedido da OSHA a NFPA (National Fire Protection Association) formou um comitê de desenvolvimento de padrões elétricos, a fim de desenvolver um padrão de segurança elétrica. O objetivo desse padrão é proporcionar uma área de trabalho segura para os funcionários. A norma NFPA 70E para condições de segurança elétrica em locais de trabalho foi publicada pela primeira vez em 1979. (PHILLIPS, 2009)
O risco de arco elétrico foi mencionado pela primeira vez na edição de 1995 da NFPA 70E. Já na edição de 2000 foi introduzido o sistema de classificação de categoria de risco. Foram desenvolvidas algumas tabelas a fim de serem usadas para selecionar o EPI necessário para a proteção correta contra os efeitos térmicos do arco elétrico. As tabelas se baseavam no agrupamento do perigo e do risco em cinco categorias, sendo classificadas de 0 a 4, em seguida, na seleção da proteção com base no número da categoria. (PHILLIPS, 2009)
A NFPA 70E está no centro das práticas de segurança elétrica Embora a OSHA seja uma lei federal, ela tem uma abrangência mais geral. Sendo assim, a NFPA 70E é
frequentemente usada para definir detalhes específicos de proteção contra riscos elétricos, como choque elétrico e arco elétrico (PHILLIPS, 2009).
Em 2002, foi publicado o IEEE 1584. Este guia refinou os métodos de cálculo anteriores e desenvolveu métodos para estimar a corrente de arco real que poderia fluir durante um arco elétrico. A IEEE 1584 tornou-se o método predominante na indústria para a realização de estudos de cálculo de arco elétrico. (PHILLIPS, 2009)
2.1.1.2 Normas nacionais
No Brasil existem as Normas Regulamentadoras (NR) que complementam o capítulo V da Consolidação das Leis do Trabalho (CLT). Essas NR consistem em algumas obrigações, direitos e deveres a serem cumpridos tanto pelos trabalhadores quanto pelos empregadores, tendo como objetivo garantir um trabalho seguro, e prevenir a ocorrência de doenças e acidentes de trabalho (BRASIL, 2019). As normas passaram a ter cumprimento obrigatório em 1978, através da portaria nº 3.214, aplicadas a todos os trabalhadores regidos pela CLT (MTE, 1977). Dentre as NR existentes, tem-se a NR 10 - Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade.
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 (NR, 2016).
10.1.2 Esta NR se aplica às fases de geração, transmissão, distribuição e consumo, incluindo as etapas de projeto, construção, montagem, operação, manutenção das instalações elétricas e quaisquer trabalhos realizados nas suas proximidades, observando-se as normas técnicas oficiais estabelecidas pelos órgãos competentes e, na ausência ou omissão destas, as normas internacionais cabíveis.
A NR 10 apresenta três menções que podem ser atribuídas ao arco elétrico. São elas: a alínea (c) do item 10.2.4 “especificação dos equipamentos de proteção coletiva e individual e o ferramental, aplicáveis conforme determina esta NR;”. O item 10.2.9.2 “As vestimentas de trabalho devem ser adequadas às atividades, devendo contemplar a condutibilidade, inflamabilidade e influências eletromagnéticas.”. E por fim, a alínea (a) do item 10.3.9 “especificação das características relativas à proteção contra choques elétricos, queimaduras e outros riscos adicionais;”.
A NR 6 - Equipamento de Proteção Individual, diz:
6.1 Para os fins de aplicação desta Norma Regulamentadora – NR, considera-se Equipamento de Proteção Individual – EPI, todo dispositivo ou produto, de uso individual utilizado pelo trabalhador, destinado à proteção de riscos suscetíveis de ameaçar a segurança e a saúde no trabalho.
Essa norma, cita em seu Anexo I equipamentos de proteção contra agentes térmicos, mas não detalha quanto à sua especificação, e não menciona arco elétrico em nenhum dos casos, apenas usa o termo agentes térmicos.
A NR 10 foi revisada e atualizada em 1998, em 2004 e no ano de 2016. Embora tenha sido feita três alterações a NR 10 não faz menções claras e específicas a respeito dos perigos relacionados ao arco elétrico. Tanto a NR 10, quanto a NR 6, não especificam as características técnicas das vestimentas de trabalho e demais EPIs a serem utilizados em atividades em áreas energizadas.
2.2 O ARCO ELÉTRICO
Sabe-se que a eletricidade é imprescindível nos dias de hoje, quer seja no conforto das nossas casas, quer seja no âmbito industrial e tecnológico. Por outro lado, seu uso exige algumas precauções em virtude dos riscos que ela apresenta e que devem ser minimizados, controlados e quando possível, eliminados.
Existem diversos riscos elétricos, eles são divididos em riscos de contato direto e de contato indireto. O arco elétrico é um risco de contato direto, ou seja, quando há o contato de uma pessoa com um condutor que normalmente está energizado. Algumas situações onde isso ocorre: interrupção de carga, medições com equipamentos inadequados, verificação da desenergização do circuito, retirada do fusível NH (Niederspannungs Hochleistungs, que em língua alemã significa “baixa tensão e alta capacidade de interrupção”) com carga, entre outras. Porém, o arco elétrico pode ser também um risco de contato indireto, já que ele gera uma explosão, podendo assim atingir pessoas que estão próximas a ele.
O arco elétrico é um dos riscos mais nocivos às pessoas, portanto, conhecer a sua natureza física é fundamental. A energia incidente emitida durante o fenômeno do arco elétrico é o que traz maiores danos ao indivíduo e quanto maior a proximidade entre o trabalhador e o arco elétrico maiores serão as consequências.
Segundo Neal, Bingham e Doughty (1996), o arco elétrico é a passagem de corrente elétrica entre dois eletrodos através de gases e vapores ionizados, tendo normalmente curta duração, mesmo assim, produzem níveis de energia muito altos.
Conforme Lee (1982) o arco elétrico é caracterizado por uma coluna de gás ionizado com características substancialmente resistivas, estas características conferem ao arco elétrico um fator de potência unitário. Uma vez iniciado o arco, a corrente percorre um caminho formado pelos gases metálicos gerados pela vaporização dos condutores e sua temperatura pode atingir mais de 20.000 °C, correspondendo a 4 vezes a temperatura da superfície do sol.
De acordo com o Ministério do Trabalho e Emprego, o arco elétrico é conceituado como sendo:
Gerado pela ionização de gás como consequência de uma conexão elétrica entre dois eletrodos de diferentes potenciais, de diferentes fases ou entre um eletrodo e um circuito de terra. Normalmente é gerado acidentalmente devido à falha de equipamentos em curto circuito e libera grande quantidade de energia calorífica num curto intervalo de tempo, capaz de provocar a fusão de metais componentes dos equipamentos, que podem ser lançados contra pessoas e objetos que estejam nas proximidades causando queimaduras severas e combustão.
Figura 2 - Arco elétrico
Fonte: Elétrica (2014)
A Figura 2 é uma ilustração da formação de um pequeno arco elétrico. Quando o arco está se formando, a corrente começa passando pelo ar ionizado, gerando grandes quantidades de calor. O metal dos condutores vaporizados, juntamente com os volumes de gases ionizados, são expelidos explosivamente. A energia elétrica continua a ser convertida em formas de energias extremamente perigosas (LANG; NEAL, entre 2007 e 2015).
Os perigos advindos do arco elétrico incluem, imenso calor do plasma, grande volume de fumaça tóxica, gotas derretidas de material condutor, estilhaços, luz extremamente intensa e uma onda de pressão da rápida expansão dos gases (LANG; NEAL, entre 2007 e 2015). Na Figura 3 tem-se a ilustração simplificada do comportamento do arco elétrico.
Figura 3 - Comportamento do arco elétrico
As correntes alternadas das três fases criam forças magnéticas de atração e repulsão, movendo de forma drástica os jatos de plasma que, por sua vez, alimentam uma nuvem de plasma em expansão. A nuvem em expansão é conduzida para fora do barramento, criando uma nuvem de poeira de plasma. Como as moléculas altamente energizadas do plasma esfriam, elas acabam se recombinando com outros materiais. O material ejetado inclui partes derretidas do barramento que dão origem a chuva de material derretido. (LANG; NEAL, entre 2007 e 2015).
Segundo Lee (1982) ao analizar o arco como um elemento do circuito elétrico, percebe-se que o vapor gerado durante o mesmo possui uma resistência extremamente alta em comparação com a resistividade de uma barra de cobre, resultando em uma queda de tensão entre 30 e 40 V/cm, sendo milhares de vezes maior do que seria em um condutor sólido.
Em circuitos de baixa tensão, o arco poderá provocar no sistema elétrico afundamentos de tensão, consumindo uma parte significativa da tensão fornecida ao circuito. De tal modo, apenas a diferença entre a tensão da fonte e a queda de tensão no arco é que irão forçar a corrente de falta através da impedância total do sistema elétrico. Este fato é a razão para a estabilização da corrente de falta em sistemas de baixa tensão. (LEE, 1982)
Para circuitos com tensão mais elevada, o comprimento do arco é significativamente maior, considerando uma queda de tensão de 40 V/cm. Sendo assim a estabilização do arco se torna praticamente impossível, já que o valor da queda de tensão considerado é quase insignificante para os sistemas de média e alta tensão. Portanto, a ocorrência do arco elétrico em sistemas de média e alta tensão, pode levar a novos curtos circuitos, caso o arco atinja outros circuitos ou equipamentos. (LEE, 1982)
2.2.1 FATORES QUE CAUSAM O SURGIMENTO DO ARCO ELÉTRICO
O arco elétrico pode ocorrer em painéis de distribuição, centros de controle de motores, dutos de barras ou em qualquer outro lugar que houver a falha de um equipamento elétrico. Segundo a Littelfuse (2005) a causa mais comum da ocorrência do arco é o descuido. Onde não importa quão bem uma pessoa é treinada, já que distrações, cansaço, pressão para restaurar a energia ou excesso de confiança podem levar o trabalhador a não cumprir corretamente os procedimentos de segurança. Sendo assim ele poderá trabalhar desprotegido, ou deixar cair uma ferramenta fazendo contato entre os condutores e gerando o arco elétrico.
Riscos de segurança elétrica, como exposição ao arco elétrico, também podem ser causados por (LITTELFUSE, 2005):
• Elementos vivos expostos; • Conexões soltas;
• Painéis de desconexão obstruídos; • Água ou líquido perto de eletricidade; • Eletricidade estática;
• Ferramentas e equipamentos danificados.
Conforme Roscoe, Papallo e Valdes (2010), há algumas causas que contribuem para o surgimento do arco elétrico, sendo elas:
• 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;
• Intervenções inadequadas de manutenção e operação, sendo esta uma das principais causas de acidentes na indústria e no setor elétrico.
Já de acordo com Almeida e Goecking (2009 apud PINHEIRO JUNIOR, 2014), os fatores contribuintes para a ocorrência do arco elétrico são:
• Erros Humanos: um operário trabalhando sob pressão pode esquecer algum objeto em contato com as partes vivas do circuito;
• Conexões Deficientes: as conexões frouxas e os contatos não intencionais de disjuntores extraíveis com algum ponto do sistema podem gerar calor, desencadeando uma falha com arco elétrico;
• Animais: a presença de pequenos animais em instalações elétricas geralmente leva à ocorrência de curto-circuito com arco;
• Falha de Equipamento ou Materiais: a degradação de dispositivos isolantes, diante da presença de sobretensões transitórias, pode provocar o início de uma falha com arco elétrico.
2.2.2 ENERGIA INCIDENTE
O nível de energia liberado durante um arco elétrico é denominado de energia incidente. A mesma é responsável pela maioria dos ferimentos causados aos indivíduos expostos ao arco, logo, a energia incidente apresenta-se como o perigo mais relevante entre os perigos existentes durante a ocorrência de um arco elétrico. (LEE, 1982)
O Ministério do Trabalho e Emprego define energia incidente como sendo “Parte da energia liberada como resultado do arco elétrico ou do fogo repentino que incide sobre determinado ponto de interesse, geralmente o trabalhador.”. Conhecer o nível de energia incidente é uma informação fundamental para que seja feita a determinação adequada da proteção ao trabalhador, sendo normalmente indicada em cal/cm².
A transmissão de calor liberado durante a ocorrência de um arco elétrico se dá predominantemente por radiação, mas também por condução e convecção (NEAL; BINGHAM; DOUGHTY, 1996). A Tabela 2 apresenta um comparativo dos riscos entre a ocorrência de arco elétrico e fogo repentino.
Tabela 2 - Comparação entre arco elétrico e fogo repentino
Fatores de Exposição ao Perigo Arco Elétrico Fogo Repentino
Faixa total de energia incidente (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
Fonte: Adaptado de Neal, Bingham e Doughty (1996)
Percebe-se que no caso de fogo repentino a energia incidente chega a 30 cal/cm² nos piores casos, já na ocorrência de um arco elétrico a energia incidente pode chegar a valores superiores a 100 cal/cm². Além disso, em relação ao arco elétrico, nota-se que bastam poucos centésimos de segundo para que seja liberada uma grande quantidade de energia.
Segundo o padrão IEEE 1584, para que a energia incidente seja estimada, é preciso que alguns dados do sistema elétrico sejam coletados, como nível de curto-circuito, tensão do painel/barramento, características dos dispositivos de proteção do sistema, classe dos equipamentos e todos os dados de instalação do sistema. A Figura 4 ilustra de uma forma didática a transferência da energia radiante (calor) que provém da fonte (arco elétrico), para um objeto esférico a uma distância r.
Figura 4 - Transferência de energia radiante durante um arco elétrico
Fonte: Adaptado de Lee (1982)
O arco elétrico ocorre entre os terminais ‘a’ e ‘b’, a área ‘As’ delimita onde irá acontecer a movimentação do arco. A energia emitida por unidade de área é representada por ‘Qs’ e a quantidade de energia absorvida pelo objeto está indicada como ‘Qo’. Segundo Lee (1982), a energia absorvida pelo objeto se dá pela Equação 1 a seguir:
Qo =Qs× As
4πr² × AO [𝑊] (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.
2.2.3 OUTROS RISCOS ASSOCIADOS AO ARCO ELÉTRICO
Conforme apresentado no tópico 2.2.2 a energia incidente apresenta-se como o perigo mais relevante entre os perigos existentes durante a ocorrência de um arco elétrico. Contudo não se pode ignorar outros efeitos do arco, como por exemplo, a onda de pressão gerada durante o evento.
O fluxo de corrente pelo ar, formado pelo arco elétrico, libera grandes quantidades de energia sob a forma de calor e pressão. 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, chega a expandir-se 67.000 vezes o seu volume quando passa do estado sólido para o gasoso. (LITTELFUSE, 2005)
A luz intensa gerada pelo arco elétrico emite raios ultravioletas perigosos, que podem causar cegueira temporária ou permanente. A energia sonora das explosões e as ondas de pressão podem atingir 160 dB, rompendo facilmente os tímpanos e causando perda auditiva
permanente (LITTELFUSE, 2005). Na Figura 5 tem-se a ilustração de algumas características da formação do arco elétrico.
Figura 5 - Características da formação do arco elétrico
Fonte: Mendes (2012)
Crnko e Dyrnes (2001), realizaram testes com manequins para determinar os danos causados por queimaduras, perda de audição, danos aos pulmões e fraturas, para determinar tudo isso utilizaram sensores apropriados. O teste foi realizado em um painel de distribuição trifásico de 480 V com uma corrente de curto circuito de 22,6 kA. O sistema de proteção foi ajustado para interromper o arco em 6 ciclos, ou seja, o arco durou 100 milissegundos.
Dois manequins estão posicionados conforme a Figura 6. O primeiro é posicionado próximo ao painel, simulando o trabalhador que está realizando a manutenção, e o segundo manequim está posicionado a uma distância maior, simulando o colega de trabalho que está acompanhando/auxiliando na execução dos serviços. Após o teste pode-se observar na Figura 7 a ação do arco elétrico, onde o manequim que está mais próximo do painel está totalmente envolvido pelas chamas.
Figura 6 - Manequins posicionados na sala de teste
Figura 7 - Exposição dos manequins ao arco elétrico
Fonte: Crnko e Dyrnes (2001)
A Figura 8 mostra os resultados obtidos pelos sensores instalados no manequim que estava posicionado mais próximo ao painel.
Figura 8 - Resultados obtidos através dos sensores
Fonte: Adaptado de Jones et al. (2000)
Com estes resultados Crnko e Dyrnes (2001) concluíram que os trabalhadores expostos as mesmas condições do manequim teriam queimaduras incuráveis na face, pescoço e mãos. Haveria também possíveis danos no tímpano, o que levaria a surdez, e uma pressão sobre o peito, que poderia atingir valores superiores a 600 Kg, podendo causar graves lesões aos órgãos internos.
2.3 METODOLOGIAS DE CÁLCULO DA ENERGIA INCIDENTE
Após o conhecimento sobre os riscos associados ao arco elétrico, entende-se a necessidade de medidas de controle e prevenção. Conforme apresentado no tópico 2.2.2, dentre os riscos existentes, a energia incidente é a que mais causa danos aos seres humanos. A mesma pode provocar queimaduras de 2º e 3º grau, o que pode levar a pessoa a óbito (NEAL; BINGHAM; DOUGHTY, 1996).
Partindo desse pressuposto serão abordadas as principais metodologias para o cálculo da energia incidente, e as medidas de precaução adequadas aos efeitos esperados. Para isso será abordado o método de Ralph Lee, método de Doughty e Neal e o Método IEEE 1584.
2.3.1 MÉTODO DE RALPH LEE
O trabalho de Lee (1982) foi o pioneiro em relação a contribuições significativas para avaliar os riscos e perigos associados com a energia incidente. Este método pode ser aplicado para estimar os valores de energia incidente produzidos por um curto-circuito trifásico em ambiente aberto para tensões superiores a 600 V.
Figura 9 - Tolerância do tecido humano à elevação de temperatura em função do tempo (curva de Stoll)
Fonte: Lee (1982)
Conforme a Figura 9, as temperaturas que podem causar queimaduras curáveis são as inferiores a 80ºC (como mostra a curva curable burn), e as incuráveis são as superiores a 96ºC (como mostra a curva skin not curable), nos dois casos, em um tempo de exposição igual a 100 milissegundos. Lee mostrou isso através do trabalho de Stoll e Chianta, e assim ele propôs modelos para o cálculo das distâncias seguras para que queimaduras incuráveis não ocorressem. Quanto mais tempo existe o arco, maior a quantidade de tensão do sistema será consumida nele, de modo que a tensão estará disponível para superar a impedância de alimentação e a corrente total diminuirá. O método de Ralph Lee baseia-se no modelo do arco elétrico atuando como uma resistência estática.
Para modelar o sistema na presença do arco elétrico, Lee considerou o circuito da Figura 10. O mesmo consiste em uma fonte de tensão ‘E∞’, impedância do sistema ‘Zs’ até o ponto da falta e a resistência do arco elétrico ‘Rarc’, e foi desconsiderada a resistência do sistema até o ponto de falta.
Figura 10 - Diagrama fasorial da tensão e corrente para diferentes comprimentos de arco
Fonte: Lee (1982)
Sabe-se, que a máxima transferência de potência para ‘Rarc’ se dá quando |𝑍𝑠| = |𝑅𝑎rc|, o que resulta em |𝐸𝑠| = |𝐸𝑎|. Sendo assim, para determinar a máxima potência transferida da fonte para o arco elétrico, considerou-se a resistência do arco igual a impedância da fonte, consequentemente a máxima potência do arco será metade da potência de curto circuito naquele ponto. A maior potência dissipada pelo estudo acima é:
𝑃𝑚á𝑥= 1 2× 𝐸0× 𝐼0 (2) onde: 𝑃𝑚á𝑥 = Potência máxima [W]; 𝐸0 = Tensão do sistema [V]; 𝐼0 = Corrente de falta [A].
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 3, a seguir:
𝐸 =0,512 × 𝑉 × 𝐼 × 𝑡
𝐷2 (3) onde:
V = Tensão do sistema [kV];
I = Corrente de curto circuito franco no ponto estudado [kA]; t = Tempo de duração do arco [s];
D = Distância do arco elétrico ao indivíduo [mm].
Esta metodologia é de fácil aplicação, se conhecido os parâmetros da equação e o tempo de atuação do dispositivo de proteção do sistema. Pode-se também, se conhecido o valor da energia incidente, resolver a Equação 3 para determinar ‘D’, assim, descobre-se a distância segura que deve ser mantida, para maior proteção.
Lee apresentou para um tempo de exposição de 100 milissegundos e para determinadas distâncias, qual a potência de arco que causaria queimaduras curáveis e incuráveis. A Tabela 3 apresenta os resultados obtidos na época do estudo.
Tabela 3 - Relação entre distância e potência do arco
Distância Potência do Arco [MW]
Centímetros Curável Incurável
50 5,2 7 61 7,5 10 76,2 11,8 16 81,4 17 23 152,4 47 64 304,8 189 256
Fonte: Adaptado de Lee (1982)
Ralph Lee não realizou testes experimentais para investigar a relação entre a energia irradiada no curto circuito trifásico real e a energia irradiada calculada a partir do seu método de cálculo. Sendo assim, o mesmo concluiu que os cálculos deveriam ser conservadores e se basear nas condições dos sistemas onde se teria a máxima energia irradiada.
2.3.2 MÉTODO DE DOUGHTY E NEAL
O método de Doughty e Neal foi proposto em um artigo intitulado “Predicting Incident Energy to Better Manage the Electric Arc Hazard on 600 V Power Distribution Systems” (2000), este artigo é o terceiro de uma série de estudos feitos pelos autores. Ele é uma das contribuições mais significativas, após a publicação do método proposto por Ralph Lee.
Este artigo reforça a compreensão dos fenômenos do arco elétrico, apresentando resultados práticos de medições de níveis de energia incidente devido a curtos circuitos em sistemas elétricos trifásicos de 600 V em áreas abertas e em uma caixa metálica (área fechada).
Os estudos mostraram que nem toda energia fornecida pela fonte é convertida em energia incidente, já que parte significativa dessa energia é consumida no processo de fusão e vaporização dos condutores. (NEAL; BINGHAM; DOUGHTY, 1996)
Para a realização do teste da energia incidente em uma área aberta, foi proposta uma estrutura de três eletrodos espaçados de 31,75 mm e presos entre si por uma estrutura isolante. Um fio de cobre foi colocado entre os eletrodos com a função de iniciar o processo do curto circuito trifásico a arco. Para fazer a medição da energia incidente utilizou-se 7 calorímetros de cobre. (DOUGHTY; NEAL; FLOYD, 2000)
A Figura 11 ilustra os testes feitos em área aberta considerando uma tensão de circuito aberto de 600 V, corrente de curto circuito medida nos terminais dos eletrodos e a duração do teste foi de 100 milissegundos. (DOUGHTY; NEAL; FLOYD, 2000)
Figura 11 - Teste em área aberta
Fonte: Adaptado de Doughty, Neal e Floyd (2000)
O ensaio realizado em área fechada, foi feito em uma caixa metálica de dimensões de 50,8 cm de largura, por 50,8 cm de altura, por 50,8cm de profundidade. Para a execução do teste da energia incidente foram montados os eletrodos no fundo da caixa com distanciamento de 31,75 mm. Os calorímetros foram montados na parte frontal da caixa e possuem as mesmas especificações do teste em área aberta. (DOUGHTY; NEAL; FLOYD, 2000)
A Figura 12 ilustra os testes feitos em área fechada considerando uma tensão de circuito aberto de 600 V, corrente de curto circuito medida nos terminais dos eletrodos, com duração de teste de 100 milissegundos. Nesse caso foram realizados dois testes, um com a caixa metálica aterrada e o outro com a caixa metálica sem aterramento. Vereficou-se então que a energia
incidente é maior, como já era de se esperar, quando a caixa metálica não está aterrada. (DOUGHTY; NEAL; FLOYD, 2000)
Figura 12 - Teste em área fechada
Fonte: Adaptado de Doughty, Neal e Floyd (2000)
Os testes mostraram que para sistemas em 600 V realizados em área aberta, a energia incidente medida ficou próxima de 80% do máximo teórico (NEAL; BINGHAM; DOUGHTY, 1996). Já para sistemas em 2.400 V as medidas ficaram próximas de 40% desse máximo. No entanto, para os testes feitos em área fechada, os valores podem ser até três vezes maiores do que em área aberta. (DOUGHTY; NEAL; FLOYD, 2000)
A Figura 13 mostra como a energia incidente se torna maior, tanto em área aberta quanto em área fechada, à medida que a corrente de falta aumenta.
Figura 13 - Energia incidente em áreas abertas e fechadas em função da corrente de falta
As Equações 4 e 5 mostram o modelo para calcular a energia incidente em áreas abertas e fechadas, respectivamente, segundo a metodoligia de Doughty e Neal. (DOUGHTY; NEAL; FLOYD, 2000)
𝐸𝑀𝐴 = 5271 × 𝐷−1,9593× 𝑡
𝐴(0,0016 × 𝐼2 − 0,0076 × 𝐼 + 0,8938) (4) 𝐸𝑀𝐵 = 1038,7 × 𝐷−1,4738× 𝑡𝐴(0,0093 × 𝐼2− 0,3453 × 𝐼 + 5,9675) (5) onde:
𝐸𝑀𝐴 = Energia incidente em áreas abertas [cal/cm²]; 𝐸𝑀𝐵 = Energia incidente em áreas fechadas [cal/cm²]; 𝐷 = Distância do arco ao indivíduo [in];
𝑡𝐴 = Tempo de duração do arco [s];
𝐼 = Corrente de curto circuito franco no ponto estudado [ kA].
O método de cálculo de energia incidente proposto por Doughty e Neal mostra-se mais eficiente do que o método apresentado por Ralph Lee. O mesmo pode ser aplicado em sistemas até 600 V com corrente de curto circuito entre 16 e 50 kA.
2.3.3 MÉTODO IEEE 1584
No ano de 2002, o IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) publicou um trabalho que se apresentou como o método mais comum para o cálculo de energia incidente. Para a metodologia de cálculo proposta nesse trabalho foi considerado estudos anteriores e uma série de testes foram realizados. O padrão IEEE tem como finalidade auxiliar na determinação da energia incidente, podendo ser utilizado em sistemas trifásicos, em configurações abertas ou fechadas e em baixa ou média tensão. (IEEE, 2002)
Esta norma deve ser empregada em instalações que se encaixem dentro das seguintes características:
• Tensão entre 208 V e 15.000 V; • Sistema trifásico;
• Frequência de 50 ou 60 Hz;
• Corrente de curto circuito de 0,7 a 106 kA; • Espaçamento entre condutores de 13 a 152 mm; 2.3.3.1 Corrente de curto circuito
Durante a ocorrência de um arco elétrico a corrente de curto circuito sofre um decréscimo em relação a corrente de curto sem a presença do arco. Esse decréscimo não é tão
significativo em sistemas de média tensão quanto é em sistemas de baixa tensão. Logo, são propostas duas equações de cálculo para a corrente limitada por arco elétrico, uma para baixa tensão, e outra para média tensão.
• Tensão abaixo de 1 kV:
log10𝐼𝑎 = 𝐾 + 0,662 × log10𝐼𝑏𝑓+ 0,0966 × 𝑉 + 0,000526 ×
× 𝐺 + 0,5588 × 𝑉 × log10𝐼𝑏𝑓 − 0,00304 × 𝐺 × log10𝐼𝑏𝑓 (6) • Tensão maior ou igual a 1 kV:
log10𝐼𝑎 = 0,00402 + 0,983 × log10𝐼𝑏𝑓 (7) onde:
𝐼𝑎 = Corrente de curto circuito limitada por arco elétrico [kA];
𝐾 = - 0,097 (para configurações fechadas) ou - 0,153 (para configurações abertas); 𝐼𝑏𝑓 = Corrente de curto circuito transitória simétrica eficaz [kA];
𝑉 = Tensão do sistema [kV];
𝐺 = Distância entre os condutores [mm].
Em sistemas de baixa tensão, na ocorrência de um curto circuito trifásico a arco elétrico, pode-se ocorrer uma queda de tensão no sistema, essa queda implicará em uma redução de 15% do valor nominal da tensão. Como há uma queda de tensão, o valor da corrente de arco irá se alterar, portanto, deve-se calcular também a corrente corresponde a essa redução de 15% do valor de tensão, para que assim seja garantida a atuação dos dispositivos de proteção. Sendo assim, após ser recalculada a corrente de curto circuito com tensão reduzida, verifica-se em qual situação o nível de energia é maior, e utiliza-se o maior valor como referência para o cálculo de energia incidente.
2.3.3.2 Cálculo da energia incidente normalizada
Após a determinação das correntes de curto circuito, calcula-se a energia incidente normalizada. Para calcular essa energia considera-se um tempo de atuação dos dispositivos de proteção de 200 milissegundos, e a distância considerada entre o trabalhador e o defeito é de 610 mm. A energia incidente normalizada é apenas um passo matemático intermediário que será utilizada para o cálculo da energia incidente final, e é dada pela Equação 8.
log10𝐸𝑛 = 𝐾1 + 𝐾2 + 1,081 × log10𝐼𝑎+ 0,0011 × 𝐺 (8) onde:
𝐸𝑛 = Energia incidente normalizada [J/cm²];
𝐾2 = 0 (não aterrados ou aterrados com alta resistência) ou - 0,113 (sistemas aterrados); 𝐼𝑎 = Corrente de curto circuito limitada por arco elétrico [kA];
𝐺 = Distância entre os condutores [mm]. 2.3.3.3 Cálculo da energia incidente
Antes de determinar a energia incidente, é necessário determinar algumas variáveis, como o tempo de atuação dos dispositivos de proteção (ajustes de relés e disjuntores, curvas dos fusíveis e elos fusíveis), a distância entre o trabalhador e a fonte do arco elétrico, o espaçamento entre os condutores das três fases. A IEEE (2002) disponibiliza a possibilidade de utilizar valores típicos para essas variáveis.
A IEEE (2002) possui uma tabela em que são recomendadas tempos de aberturas para disjuntores de potência. A Tabela 4 indica os valores usuais para os tempos de abertura de disjuntores de acordo com o nível de tensão. O mesmo orienta que tempos de abertura para disjuntores específicos devem ser consultados nos catálogos dos fabricantes.
Tabela 4 - Tempo de operação de disjuntores
Tensão e Tipo de Disjuntor Tempo de Abertura
60 Hz (ciclos)
Tempo de Abertura (s)
Baixa tensão (< 1 kV), caixa moldada e relé de
proteção integrado 1,5 0,025
Baixa tensão (< 1 kV), caixa isolada com relé de
proteção integrado ou operado por relé externo 3 0,050
Média tensão (1 a 35 kV) 5 0,080
Alta tensão (> 35 kV) 8 0,130
Fonte: Adaptado de IEEE (2002)
A proteção contra arco elétrico é sempre baseada no nível de energia incidente no rosto e corpo da pessoa. O grau de lesão em uma queimadura depende da porcentagem de pele que é queimada. A cabeça e o corpo representam uma grande porcentagem da área total de pele e as lesões nessas áreas são muito mais fatais que as queimaduras nas extremidades. (IEEE, 2002)
Tabela 5 - Classes dos equipamentos e distância de trabalho
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 painéis de baixa tensão 455
Cabos 455
Outros A ser determinada em campo
Fonte: Adaptado de IEEE (2002)
A Tabela 6 apresenta os fatores de distância ‘x’ e as distâncias típicas de espaçamento entre os condutores. O fator de distância x está relacionado ao nível de tensão e a geometria envolvida. O fator de distância ‘x’ é utilizado como expoente na Equação 9 para o cálculo da energia incidente.
Tabela 6 - Fatores para equipamentos e classes de tensão Tensão do
Sistema (kV) Tipo de Equipamento
Distância Típica entre Condutores (mm) Fator de Distância x 0,208 - 1 Ambiente aberto 10 – 40 2 Painel de distribuição 32 1,473 CCM e painel 25 1,641 Cabos 13 2 > 1 - 5 Ambiente aberto 102 2 Painel de distribuição 13 – 102 0,973 Cabos 13 2 > 5 - 15 Ambiente aberto 13 – 153 2 Painel de distribuição 153 0,973 Cabos 13 2
Fonte: Adaptado de IEEE (2002)
Após a determinação das variáveis necessárias, passa-se para o cálculo da energia incidente. Ressalta-se que o valor de t (tempo de duração do arco) não é somente do disjuntor, e sim o tempo de abertura do disjuntor somado com o tempo de atuação do relé (IEEE, 2002).
Para determinar o valor da energia incidente, deve ser aplicada a seguinte equação: 𝐸 = 𝐶𝑓× 𝐸𝑛× ( 𝑡
0,2) × ( 610𝑥
onde:
𝐸 = Energia incidente [cal/cm²];
𝐶𝑓 = Fator de tensão: 1 (tensão > 1 kV) ou 1,5 (tensão ≤ 1 kV); 𝐸𝑛 = Energia incidente normalizada [J/cm²];
𝑡 = Tempo total de duração do arco [s];
𝐷 = Distância do ponto de arco elétrico até o trabalhador [mm]; 𝑥 = Fator de distância (conforme Tabela 6).
2.3.3.4 Distância Segura
A IEEE (2002) define a distância segura de aproximação como sendo a distância da fonte do arco na qual uma energia de calor de 1,2 (cal/cm²), incide sobre uma pessoa sem equipamento de proteção, podendo lhe causar queimaduras de 2º grau. Rearranjando a Equação 9 pode-se determinar a distância segura de aproximação pela Equação 10 a seguir:
𝐷𝐵= [4,184 × 𝐶𝑓× 𝐸𝑛× ( 𝑡 0,2) × ( 610𝑥 𝐸𝐵 )] 1 𝑥 (10) onde: 𝐷𝐵 = Distância segura [mm];
𝐸𝐵 = Valor de energia incidente que não provoca queimadura de 2º grau (1,2 cal/cm²).
A metodologia apresentada pela IEEE requer maior número possível de informações para o cálculo da energia incidente, portanto, se torna mais trabalhosa que as apresentadas anteriormente. Contudo, os resultados obtidos são mais confiáveis o que torna o método eficaz. 2.3.4 COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS
A Tabela 7 mostra os limites de aplicação de cada um, de acordo com o nível de tensão, tipo de falta e configuração dos condutores (aberto ou fechado) e o Quadro 1 apresenta um resumo dos métodos de cálculo e a (RESENDE, 2016 apud NFPA 70E, 2015)
Tabela 7 - Limites de aplicação dos métodos Método Cálculo
de Energia Incidente
Até 600 V¹ 601 V a 15 kV¹ Maior que 15 kV
1Φ 3Φa 3Φb 1Φ 3Φa 3Φb 1Φ 3Φa 3Φb
Ralph Lee S-C S N S-C S-C N N² N² N²
Doughty e Neal S-C S S N N N N N N
IEEE 1584 S S S S S S N N N
Legenda:
• 1Φ: Monofásico - configuração aberta; • 3Φa: Trifásico - configuração aberta; • 3Φb: Trifásico - configuração fechada;
• 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. • ¹ : Para esse nível de tensão é considerado que as faltas monofásicas irão fatalmente
evoluir para faltas trifásicas, a menos que possa ser demonstrado o contrário. • ² : Embora esteja dentro dos limites de aplicação do método de Ralph Lee, os
resultados são extremamente conservadores e irreais.
Quadro 1 - Resumo dos métodos de cálculo
Método Limitações / 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.
Fonte: Adaptado de Resende (2016 apud NFPA 70E, 2015)
No segmento industrial o método IEEE e o método de Doughty e Neal têm maior utilização e apresentam resultados bastante parecidos para tensões até 600 V. As duas metodologias podem ser utilizadas em configurações abertas e fechadas. Entre 600 V e 15 kV o método IEEE aparece como principal forma de determinar a energia incidente. O método de Ralph Lee apresenta bons resultados até 600 V, porém somente para configurações abertas.
2.4 VESTIMENTAS ANTICHAMAS
A vestimenta antichama é um equipamento de proteção individual (EPI). Nos casos em que há risco e for determinada a obrigatoriedade da utilização de EPIs, os mesmos devem ser adequados e especificados de acordo com o risco em que o trabalhador está exposto. (MINISTÉRIO DO TRABALHO E EMPREGO, 2019)
Para definirmos qual a vestimenta antichama adequada a cada grau de risco existente, é necessário apresentar conceitos e definições relacionados às vestimentas de proteção contra os efeitos térmicos decorrentes do arco elétrico.
2.4.1 TOLERÂNCIA DO TECIDO HUMANO A QUEIMADURAS Segundo o Ministério da Saúde (2017):
Entende-se por queimaduras, lesões dos tecidos orgânicos produzidas por trauma de origem térmica e por várias outras etiologias como radiações, química e congeladuras. O que vai influenciar na gravidade do ferimento é a profundidade da queimadura, ou seja, o número de camadas da pele e do tecido subjacente, ou outras estruturas abaixo da pele, que foram atingidos.
“As queimaduras são consideradas, um importante problema de saúde pública, pois além dos problemas físicos, capazes de levar o paciente a óbito, elas ocasionam danos de ordem psicológica e social.”. (MINISTÉRIO DA SAÚDE, 2017)
Elas podem ser classificadas como queimaduras de primeiro, de segundo ou de terceiro grau. Segundo Vale (2005) há muitos fatores que devem ser analisados na avaliação de pessoas que sofreram queimaduras, como: “A profundidade, extensão e localização da queimadura, a idade da vítima, a existência de doenças prévias, a concomitância de condições agravantes e a inalação de fumaça têm de ser considerados na avaliação do queimado.”.
Como já mencionado, as consequências provenientes do arco elétrico podem levar, uma vasta área do corpo humano, a sofrer queimaduras de primeiro, segundo e terceiro grau, se caso as medidas de proteção não forem adequadas. Em função disso, é válido conhecer a área, em percentual da área total, de cada parte do corpo humano, onde pode-se utilizar a regra dos nove, criada por Wallace, que determina a superfície corporal queimada (SCQ) (VALE, 2005). A Figura 14 apresenta a divisão do corpo segundo essa regra e a Tabela 8 apresenta uma descrição dessa porcentagem.
Figura 14 - Regra dos nove
Fonte: Learning about Electronics (2020)
Tabela 8 - Regra dos noves para cálculo da superfície queimada do corpo humano
Segmento Corporal Porcentagem da SCQ
Cabeça e pescoço 9
Cada membro superior 9 (x2) = 18
Cada quadrante do tronco 9 (x4) = 36
Cada coxa 9 (x2) = 18
Cada perna e pé 9 (x2) = 18
Genitais e períneo 1
Fonte: Adaptado de Vale (2005)
A profundidade da queimadura pode ser avaliada conforme a Figura 15. A mesma irá depender da intensidade e do tipo de agente térmico, assim como do tempo de exposição da pele ao calor. Para se avaliar a gravidade do dano são consideradas apenas as áreas afetadas por queimaduras com profundidade de segundo e terceiro grau. (MINISTÉRIO DA SAÚDE, 2017)
Figura 15 - Classificação das queimaduras
Fonte: Adaptado de Resende (2016) 2.4.2 DETERMINAÇÃO DAS VESTIMENTAS ANTICHAMAS
De acordo com o Ministério do Trabalho e Emprego (2019) a melhor alternativa para evitar que um perigo leve a um acidente é elimina-lo, o que nem sempre é possível. Desta forma, devem ser tomadas medidas de proteção coletiva (por exemplo, a instalação de painéis resistente a arco elétrico), em seguida deverão ser tomadas medidas administrativas (por exemplo, procedimentos de execução da tarefa e redução do tempo de exposição ao risco) e por último, o uso de EPI - equipamentos de proteção individual.
As vestimentas resistentes ao arco elétrico têm como finalidade reduzir o dano físico ao trabalhador quando o mesmo está exposto a um nível de energia compatível com a proteção das suas vestimentas. Conforme o Ministério do Trabalho e Emprego (2019, apud NFPA 70E)
O ATPV - Arc Thermal Performance Value (valor em calorias por centímetro quadrado da proteção conferida pelo tecido ao efeito térmico proveniente de um arco elétrico) está diretamente relacionado às características do tecido que compõe a vestimenta e sua tecnologia de fabricação. Representa o valor máximo de energia incidente sobre o tecido que resulta numa energia no lado protegido que poderia com 50% de probabilidade causar queimaduras de segundo grau.
O valor do ATPV é uma estimativa da barreira conferida pelo tecido e, consequentemente, da vestimenta com ele confeccionada. Assim, com base nos cálculos da energia incidente (cal/cm²) determina-se o nível de proteção necessário. Lembrando que, de um modo geral, quanto maior a gramatura do tecido maior a proteção.
O Ministério do Trabalho e Emprego (2019, apud NFPA 70E) especifica os EPIs e os classifica em cinco tipos de risco e em cinco categorias de risco em função do ATPV, conforme Tabela 9. Portanto, torna-se necessário que o EPI possua categoria de risco compatível com a energia incidente que pode ser liberada durante a ocorrência de uma falta no sistema.
Tabela 9 - Especificação dos equipamentos de proteção individual em função das categorias de risco
Risco Energia Incidente
(cal/cm²)
Categoria de Risco
ATPV Mínimo Requerido para o EPI (cal/cm²)
Mínimo Até 1,2 0 Não aplicável
Leve 1,2 a 4 1 4
Moderado 4,1 a 8 2 8
Elevado 8,1 a 25 3 25
Elevadíssimo 25,1 a 40 4 40
Fonte: Adaptado de Ministério do Trabalho e Emprego apud NFPA 70E (2019)
O
Quadro 2 apresenta as cinco categorias de risco e deve ser aplicado sempre que houver o risco de arco elétrico durante a execução de alguma atividade. O mesmo indica os EPIs necessários para a realização das tarefas de acordo com a categoria de risco a qual o trabalhador estará exposto. (QUEIROZ E SENGER apud NFPA 70E, 2012)“A realização de serviços em painéis com energia incidente calculada superior a 40cal/cm² somente é permitida com a instalação elétrica desenergizada, visto que não existem EPIs capazes de oferecer uma proteção adequada para esse nível de energia incidente.”. (QUEIROZ E SENGER apud NFPA 70E, 2012)
Quadro 2 - Vestimentas de proteção e EPIs
Categoria de Risco Vestimenta de Proteção (EPIs)
0
Vestimenta de proteção, não tratada e não fundível, em fibra natural (algodão não tratado, viscose, seda ou misturas destes) com um peso de tecido mínimo de 152 g/cm².
- Camisa manga comprida - Calças compridas
- Óculos de segurança
- Protetor auricular (tipo plug) - Luvas de couro
1
Vestimenta resistente a arco elétrico, com suportabilidade mínima de 4 cal/cm²:
- Camisas e calças compridas resistentes a arco ou macacão resistente a arco
- Protetor facial resistente a arco ou capuz carrasco resistente a arco - Capacete
- Óculos de segurança
- Proteção auditiva (modelo de inserção no canal auditivo) - Luvas de couro
- Sapato de segurança em couro, quando necessário
2
Vestimenta resistente a arco elétrico, com suportabilidade mínima de 8 cal/cm²:
- Camisas e calças compridas resistentes a arco ou macacão resistente a arco
- Protetor facial resistente a arco ou capuz carrasco resistente a arco e balaclava resistente a arco
- Jaqueta resistente a arco, agasalho, vestimenta impermeável ou forro para capacete, quando necessário
- Capacete
- Óculos de segurança
- Proteção auditiva (modelo de inserção no canal auditivo) - Luvas de couro
- Sapato de segurança em couro, quando necessário
3
Vestimenta resistente a arco elétrico selecionada de modo que atenda à classificação de arco mínima de 25 cal/cm²:
- Camisas de manga comprida resistente a arco, quando requeridas - Calças compridas resistentes a arco, quando requeridas
- Macacão resistente a arco, quando requerido - Jaqueta resistente a arco elétrico, quando requerida - Capuz carrasco resistente a arco
- Luvas resistentes a arco
- Jaqueta resistente a arco, agasalho, vestimenta impermeável ou forro para capacete, quando necessário
- Óculos de segurança
- Proteção auditiva (modelo de inserção no canal auditivo) - Sapato de segurança em couro, quando necessário
4
Vestimenta resistente a arco elétrico selecionada de modo que atenda à classificação de arco mínima de 40 cal/cm²:
- Camisas de manga comprida resistente a arco, quando requeridas - Calças compridas resistentes a arco, quando requeridas
- Macacão resistente a arco, quando requerido - Jaqueta resistente a arco elétrico, quando requerida - Capuz carrasco resistente a arco
- Luvas resistentes a arco
- Jaqueta resistente a arco, agasalho, vestimenta impermeável ou forro para capacete, quando necessário
- Capacete
-Óculos de segurança
- Proteção auditiva (modelo de inserção no canal auditivo) - Sapato de segurança em couro, quando necessário
