RISCOS DO ARCO ELÉTRICO

Conteúdo 1. Introdução ............................................................................................................................... 2

2. Estado da Arte ........................................................................................................................ 3

3. Curto-Circuito ........................................................................................................................ 12

4. Coordenação da Proteção .................................................................................................. 16

6. Métodos de Cálculo de Efeitos de Arco Elétrico ............................................................. 22

6.1. Método da IEEE Std 1584:2002 ................................................................................. 22

6.1.1. Corrente do Arco Elétrico ..................................................................................... 23

6.1.2. Energia Incidente ................................................................................................... 23

6.1.3. Método de Lee ....................................................................................................... 25

6.1.4. Superfície de Proteção Contra Arco ................................................................... 25

6.1.5. Fusíveis Limitadores de Corrente ....................................................................... 26

6.1.6. Disjuntores de Baixa Tensão ............................................................................... 26

6.2 – Método da NFPA 70E:2004 ...................................................................................... 27

7 – Programas Comerciais (softwares) Existentes ............................................................. 28

7.1 – Avaliação de funções [87] ......................................................................................... 28

8 - EPI´s para proteção contra arcos elétricos..................................................................... 36

9 - ensaios em EPI´s para Proteção Contra Arcos elétricos ............................................. 45

9.1 - Norma ASTM F1959/F1959m-05A Copyright 2006 [85] ....................................... 45

9.2 - norma IEC 61482-1:2002 ........................................................................................... 46

9.2.1 - método A – montagem de três painéis com dois sensores ........................... 46

9.2.2 - método B – utilização de manequins ................................................................ 47

9.3 - Norma IE Std 1584:2002 ............................................................................................ 47

9.4 - Norma NFPA 70E:2004 .............................................................................................. 49

10 – Conclusão ......................................................................................................................... 50

1. Introdução

No Brasil, com o advento da nova NR 10 [78] em 2005, houve uma

preocupação com a segurança dos trabalhadores ligados à eletricidade. Apesar de tal norma não ser explícita na abordagem do assunto desta monografia, ela apresenta definições envolvendo a proteção contra efeitos térmicos (queimaduras) dos trabalhadores, induzindo o autor a realizar uma pesquisa mais profunda do que as até hoje propostas na literatura disponível.

Sabe-se que, sempre que um equipamento elétrico energizado está sendo examinado, mantido ou ajustado, havendo condições propícias, existe o risco potencial da ocorrência de um arco elétrico, podendo resultar em ferimentos no trabalhador eletricista e danos para o equipamento.

Considerando que o arco elétrico pode causar ferimentos severos ao ser humano ou mesmo a morte, e, que este assunto é pouco desenvolvido na língua portuguesa, procurou-se, nesta monografia, fazer uma revisão no assunto. Assim sendo, dividiu-se o assunto em capítulos, onde consta uma revisão bibliográfica, o que é o arco elétrico e as suas conseqüências para a segurança dos seres humanos, uma descrição dos métodos de cálculo normalizados existentes, para estimativa dos principais parâmetros de interesse, os principais softwares existentes no mercado, EPI´s empregados na proteção contra arcos elétricos e os ensaios em tais equipamentos.

Finalmente se apresenta um cálculo exemplificativo, uma palestra desenvolvida sobre o assunto e um procedimento para ensaio de EPI resistente ao arco elétrico.

Aspecto crítico no estabelecimento dos limites atingidos pelo arco elétrico são a energia disponível no arco, a elevação de temperatura na pele da pessoa, considerada devido à radiação térmica associada ao arco elétrico, a quantidade de energia liberada no arco que aparece na forma de uma onda de choque (explosão), o que permite estabelecer a pressão exercida no corpo e o tempo em que a pessoa ficou exposta ao arco elétrico.

O valor da corrente de curto-circuito no equipamento e a duração de tal corrente considerada na “condição de curto-circuito franco ou sólido” são críticos na determinação dos limites de alcance do arco elétrico para determinada peça do equipamento elétrico. O aumento do valor da corrente de curto-circuito e da duração de tal corrente aumenta a distância limite necessária para evitar danos físicos ao ser humano.

O conhecimento de informações técnicas envolvendo os riscos associados ao arco elétrico pode ajudar a minimizar a exposição ao arco e centelhamento potencial de alguns equipamentos elétricos.

2. Estado da Arte

O assunto referente a RISCOS PARA O SER HUMANO DEVIDO AO

ARCO ELÉTRICO vem sendo trabalhado há cerca de 30 anos nos Estados Unidos da América, conforme apresentado resumidamente na Figura 2.1

O primeiro artigo técnico relevante no tema foi escrito por Lee em 1982, intitulado “The other electrical hazard: electric arc blast burns” (O outro perigo elétrico: queimaduras produzidas por explosão de arco elétrico), mostrando que as queimaduras por arco elétrico eram partes substanciais dos ferimentos causados por problemas elétricos. Lee identificou que o arco elétrico é o termo aplicado à passagem através do vapor do arco terminal do metal condutivo ou material carbonizado. As temperaturas altas nestes arcos podem causar queimaduras fatais a até 1,5m de distância e queimaduras importantes a até 3,0 m de distância do local do arco elétrico. Adicionalmente, os arcos elétricos expelem gotas de material fundido que se espalham na imediata vizinhança, similar, mas com maior intensidade do que o material expelido pela solda elétrica. Estes achados começaram a preencher um vazio criado pelos primeiros trabalhos que identificavam o choque elétrico como o maior perigo elétrico. O trabalho de Lee também ajudou a estabelecer a relação entre temperatura e o tempo de morte da célula que compõe o tecido humano, da mesma forma que a relação entre a temperatura e o tempo de cura de uma célula queimada.

Uma vez que a análise forense de acidentes elétricos se concentrou nos ferimentos causados pelo arco elétrico, a experiência adquirida após um determinado período de tempo indicou que as fórmulas de Lee para calcular as relações entre distância e energia da fonte de arco elétrico não serviam para harmonizar os grandes efeitos térmicos em pessoas posicionadas em frente a portas abertas ou coberturas removíveis, produzidos por arcos elétricos no interior de painéis elétricos.

Um artigo técnico apresentado por Doughty, Neal, and Floyd em 2000, “Predicting incident energy to better manage the electric arc hazard on 600 V power distribution systems” (Predizendo a energia incidente para melhor gerenciar os perigos do arco elétrico em sistemas de distribuição de 600 V), apresentava ensaios mais estruturados empregando “arcos elétricos em áreas abertas” e “arcos em uma caixa com formato de cubo”. Estes ensaios trifásicos foram realizados com tensões nominais de 600 V e são aplicáveis para correntes de curto-circuito na faixa de 1000 A até 50000 A. Foi estabelecido que a contribuição do calor refletido nas paredes nas proximidades do arco intensificavam o calor dirigido no sentido da abertura do painel.

A importância da segurança na indústria e o reconhecimento da existência de queimaduras devido ao arco elétrico mostraram a necessidade de proteger os empregados dos efeitos de todos os arcos elétricos. As limitações de aplicação das “bem conhecidas” fórmulas para calcular as queimaduras “curáveis” ou “incuráveis” foram superadas, podendo-se atualmente empregar modelos baseados em análise estatística e ajustes de curvas com base nas informações existentes sobre os ensaios realizados, como é feito na IEEE Std. 1584:2002 [71].

Assim sendo, o Grupo de Trabalho da IEEE Std. 1584 realizou uma grande quantidade de ensaios e desenvolveu novos modelos para cálculo da energia incidente, sendo obtidas soluções rápidas e compreensíveis nos cálculos de riscos devido ao arco elétrico para uso, tanto em configurações mono ou trifásicas, em ambientes abertos ou painéis e considerando sistemas de baixa ou média tensão.

Os demais capítulos estão correlacionados com a segurança para os empregados no ambiente do trabalho, sendo todos os capítulos aderentes às Normas da OSHA - Occupational Safety & Health Administration, NEC - National Electrical Code e do NESCNational Electrical Safety Code.

Cabe mencionar ainda a norma Internacional IEC 61482-1, intitulada

“Trabalho sob tensão elétrica – Materiais resistentes à chama para vestimentas de proteção térmica de trabalhadores – Risco de arco elétrico para efeitos térmicos – Parte 1: Métodos de Ensaio”.

Também há uma descrição dos equipamentos a serem utilizados nos

ensaios, tais como calorímetros, sensores, barramento de alimentação, eletrodos, fi o fusível, fonte de alimentação, circuito de controle do ensaio e sistema de aquisição de dados.

Como não poderia deixar de acontecer, são comentados os aspectos de segurança envolvidos com os ensaios, sua preparação e interpretações dos resultados.

Outro aspecto abordado pela normalização existente se refere à suportabilidade do corpo humano à temperatura, sendo informado que o corpo humano pode resistir em uma faixa estreita de temperaturas, próxima à temperatura normal do sangue, o que é ao redor de 36,5ºC. A sobrevivência muito abaixo deste nível requer o emprego de roupas isolantes. Temperaturas ligeiramente acima deste nível são compensadas pela perspiração. Estudos mostram que a pele, em temperaturas tão baixas quanto 44ºC, o mecanismo de equilíbrio corporal começa a ser rompido em cerca de 6 h. Danos às células podem ocorrer após um período de 6 horas em tal temperatura.

Para temperaturas entre 44°C e 51°C, a taxa de destruição de células dobra para cada 1°C de elevação de temperatura. Acima de 51°C, a taxa de destruição de células é extremamente rápida. A 70°C, apenas 1s de duração é suficiente para causar a destruição total da célula. Apesar de toda a normalização existente para o cálculo do risco, da energia incidente e das fronteiras de segurança para proteção contra o arco elétrico serem empíricos ou semi-empíricos, existem métodos que permitem quantificar os efeitos do arco elétrico de forma analítica [30 e 73]. Tais métodos permitem avaliar modelos de queimaduras, considerando que quando um fluxo de calor é aplicado à pele humana em um dado intervalo de tempo, um perfil de temperatura é estabelecido na pele como resultado da difusão térmica. Este perfil de temperatura é função do fluxo de calor e das propriedades térmicas da pele. Para um fluxo constante de calor na superfície sem ablação, a elevação de temperatura na pele pode ser definida como sendo:

As propriedades da pele são algumas vezes assumidas como sendo as mesmas da água. Quando medidas reais dessas propriedades são realizadas, verifica-se a sua variação em diferentes locais do corpo e a diversas profundidades. Valores típicos das propriedades térmicas da pele estão apresentadas na Tabela 2.1.

Para um pulso de calor de duração τ q, o calor incidente total na superfície da pele é dado pela equação a seguir.

Q = τ q

Onde os parâmetros ainda não definidos são: Q calor incidente total na superfície da pele [J] No fim do aquecimento (τ = τC), o calor Q é armazenado próximo à

superfície da pele. À medida que o tempo passa, este calor se difunde para o interior da pele e eleva a temperatura em uma dada profundidade na pele. Um conjunto típico de perfis de temperatura é apresentado na Figura 2.2

Na profundidade X, a temperatura começa a aumentar no tempo τ2, alcança o pico em τ3, e então decai no tempo τ4. Assumindo que X corresponde à base da derme, após o aquecimento, a temperatura na base da derme aumenta para um pico e então cai à medida que o tempo passa. A máxima temperatura que a base da derme alcança é importante porque isto

determina que uma queimadura de terceiro grau será produzida. A elevação de temperatura que a base da derme (X=2 mm) irá experimentar para um dado fluxo de calor particular pode ser determinada pelo uso de uma equação mais geral do que a apresentada, o que é válido para qualquer tempo. Para que se avaliem os tipos de queimaduras existentes, é importante visualizar a estrutura da pele, conforme apresentado na Figura 2.3.

Se a queimadura é limitada pela espessura da epiderme (X ~ 0,12 mm), esta é considerada uma queimadura de primeiro grau. Se a derme é afetada (X ~ 2,0 mm) isto corresponde a uma queimadura de segundo grau.

Profundidades maiores correspondem a queimaduras de terceiro grau [29].

Com base nestes critérios, Hardee e Lee determinaram a dose de radiação (kJ/m2 = 0,1 J/cm2) como função da duração da exposição, para queimaduras de segundo e terceiro graus, sendo definido o gráfico apresentado na Figura 2.4, com o auxílio de resultados numéricos analíticos obtidos através de equações que definem o fenômeno comparados com resultados experimentais.

O homem cujo braço está apresentado na Figura 2.5 à esquerda, estava nas proximidades de um painel elétrico quando da ocorrência de uma explosão. O mesmo informou que não tocou o painel, sendo que o arco elétrico desenvolvido pelo ar atravessou o seu corpo, sendo a corrente conduzida através dos orifícios em forma de pontos devido à perspiração ser muito condutiva. Na mesma Figura, à direita, aparecem as mãos de um eletricista

atingido pelo arco elétrico por um minúsculo instante de tempo, para ser exato, uma duração de arco de 0,0084 segundos.

Queimaduras de segundo e terceiro graus podem causar restrições físicas ao ser humano. O seu tratamento, também relacionado à doença devido às queimaduras após algumas horas, seguidamente requer auxílio clínico em hospitais especializados. Uma probabilidade real de morte está sempre presente.

Uma forma de estimar esta probabilidade é realizada com base na porção da superfície de pele que foi queimada e depende, também, da idade da pessoa afetada. Na Tabela 2.2, está apresentada a relação entre a probabilidade de mortalidade e esses parâmetros, sendo empregada para estimar a probabilidade de sobrevivência dos pacientes. Pode ser visto, desta Tabela 2.2, que para uma queimadura que corresponda à cerca de 50 % da superfície da pele, uma criança entre 0 e 9 anos de idade tem 80 % de probabilidade de sobrevivência, uma pessoa entre 30 a 35 anos de idade tem uma probabilidade de sobrevivência de 50 % e uma pessoa com mais do que 60 anos de idade provavelmente falecerá.

Considerando que o modelo analítico apresentado se refere à aplicação

de um fluxo de calor na pele nua e que, na realidade o operário em eletricidade ou bombeiro, ambos expostos tanto a explosões como a radiação térmica, estarão utilizando roupas, será apresentado um modelo analítico considerando o efeito do fluxo de calor na pele revestida com roupa.

Outro aspecto relevante é quanto ao emprego de roupas não adequadas quando ocorrem exposições a fluxos térmicos, pois se sabe que zonas do corpo humano cobertas com roupas inadequadas podem ser mais queimadas do que se estivessem expostas, conforme apresentado na Figura 2.6 [83]. As queimaduras mais severas são causadas pela ignição das roupas, não pelo jato de fogo, como no caso dos bombeiros, ou pela exposição do eletricista ao arco elétrico.

Além dos métodos para avaliar o comportamento da pele nua quanto a queimaduras, existem métodos para avaliar o efeito conjunto da roupa protetora e da pele quando um fluxo de calor é aplicado em um dado intervalo de tempo. Tal método [80], foi empregado para avaliar a roupa dos Bombeiros, com umidade, quando da ocorrência de um jato de fogo (flash fire).

Um diagrama esquemático do transporte de calor e umidade nas roupas dos Bombeiros, bem como da transferência de calor na pele humana e tecidos relacionados, está apresentado na Figura 2.7. A vestimenta de proteção consiste de três camadas: a cobertura externa, a barreira úmida e a camada interna. É mostrada a configuração das camadas de vestimenta, bem como da pele humana, também dividida em três camadas, tais como a epiderme, a derme e a camada subcutânea.

Para a simulação considerada, foi empregada a teoria da transferência de calor e massa acoplados em um meio poroso, para obter um conjunto de equações de transferência de calor e massa através de materiais têxteis. Foi assumido que o tecido pode ser modelado como um meio poroso higroscópico.

O material foi modelado como uma mistura de fases consistindo fibras sólidas (p. ex. polímero ou algodão) mais água absorvida pela matriz polimérica, uma fase líquida consistindo de água líquida livre e uma fase gasosa consistindo de vapor de água mais ar inerte. O modelo leva em conta a transferência de calor por condução em todas as fases, convecção nas fases líquida e gasosa, e o calor latente liberado devido à mudança de fase de líquido para vapor. Foi assumido que o fluxo de calor convectivo é aplicado na superfície do tecido, mas o fluxo de calor radiado pode penetrar no tecido até uma determinada profundidade.

Baseado nas suposições apresentadas, o balanço de energia em um elemento infinitesimal do tecido pode ser escrito na forma de uma equação diferencial. A equação diferencial parcial foi desenvolvida para um tecido composto em camadas.

Portanto, a equação de energia é modelada incluindo o termo de radiação.

A transferência de radiação em tecidos é levada em conta pela introdução na equação da energia de um termo fonte. Para simplicidade, as contribuições convectivas da fase gasosa devido às diferenças de pressão, que podem ocorrer ou por movimento do corpo ou por movimento do ar externo (vento), foram desconsideradas. Mas, foi considerado que existe líquido extra, devido ao suor que aflora na superfície da pele, irá pingar ou entrar no tecido por capilaridade e então será absorvido pelas fibras do tecido e então se tornará água celular. Em outras palavras, não existe água livre na superfície da

pele ou do tecido considerado. A equação de balanço de energia pode ser expressa como:

Onde é a densidade efetiva do tecido, Cp é o calor especifico do tecido, T é a temperatura, t é o tempo, é a entalpia de transição da água celular para a água líquida livre, é a entalpia da evaporação por unidade de massa, é o fluxo de vapor para fora da fibra (+) ou para dentro da fibra (-), x é a coordenada linear horizontal, keff é a condutividade térmica do tecido, é o coeficiente de extinção do tecido e é o fluxo térmico da radiação incidente, da chama para o tecido. Todos os termos descritos apresentam equações próprias de definição.

A Figura 2.8 contém as distribuições de temperatura na pele humana em diferentes instantes de tempo. O ponto de origem do eixo x é a superfície externa do tecido, sendo o eixo orientado para o interior do tecido humano. A primeira camada de pele começa a partir da distância de 0,00885 m da camada mais externa do tecido. A temperatura da pele continua aumentando mesmo com o término do fogo. Isto ocorre devido à energia acumulada dentro do tecido e do espaço de ar existente entre o tecido e a pele durante a exposição ao fogo. Portanto, as queimaduras na pele podem ocorrer além dos 4 segundos da exposição ao jato de fogo, devido ao calor acumulado na vestimenta.

Observe-se que a intenção de apresentar modelos analíticos é de mostrar a possibilidade de equacionar os eventos associados à transferência de calor do arco elétrico para o corpo (pele) do ser humano, inclusive considerando a existência de EPI apropriado para a proteção do trabalhador sujeito a tais ocorrências.

3. Curto-Circuito

A determinação das correntes de curto-circuito e baseada em dois métodos de calculo: o método por unidade (pu) e o método da transformação das componentes simétricas de Fortescue para sistemas elétricos desequilibrados.

Na área de sistemas de energia elétrica a utilização de valores percentuais, conhecidos como pu (do inglês per unit) e uma técnica comumente utilizada para auxiliar na resolução dos problemas. Esta técnica proporciona inúmeras vantagens, das quais se pode citar como principais:

• Simplificação dos cálculos; • Facilidade para trabalhar com potencias trifásicas e monofásicas pois o

sistema pu diminui a possibilidade de confusão; • Facilidade de comparação entre grandezas e equipamentos, pois em

pu os valores encontram-se dentro de uma estreita faixa de valores, enquanto que seus valores em Ohm (Ω) tem uma faixa de variação bastante ampla;

• Se o valor real de uma grandeza de um equipamento não e conhecido, pode-se estimar um valor típico com uma boa aproximação. Existem tabelas que apresentam valores típicos de equipamentos em pu em função de algumas grandezas nominais;

• Em transformadores o valor da impedância dada em pu e o mesmo tanto para o lado de alta como para o lado de baixa tensão;

• Em transformadores trifásicos (ou banco de transformadores monofásicos) a impedância em pu independe do tipo de conexão;

• O método pu e independente das mudanças das tensões e defasa mentos angulares através de transformadores, onde as tensões de base nos enrolamentos são proporcionais ao numero de espiras nos enrolamentos.

O valor pu e obtido pela utilização de uma equação simples de relação de parâmetros, expressa como:

Sabe-se que, mesmo um Sistema de Energia Elétrica (SEE) bem projetado esta suscetível a uma serie de ocorrências que alteram seu padrão normal de funcionamento. Devido ao seu tamanho, quantidade e diversidade de equipamentos, alem da natural exposição as intempéries e ações mecânicas, este tipo de sistema esta constantemente sujeito a perturbações que conduzem a alterações de suas grandezas elétricas (corrente, tensões, freqüência), muitas das vezes levando o sistema a violar restrições operativas (altas correntes que originam sobrecarga, sub e sobtensões etc.). Entre as diversas perturbações que podem ocorrer em um sistema de energia, os curtos-circuitos encontram-se entre as mais graves [74].

Curtos-circuitos acontecem em sistemas de energia elétrica quando ocorrem falhas na isolação de equipamentos, devido a causas mecânicas como rompimento de condutores (ação de ventos, colisão de veículos com elementos de sustentação etc.), como conseqüência de sobtensões causadas por raios ou surtos de chaveamento, quando ocorre contaminação da isolação, pela presença de maresia ou locais com alta concentração de poluição, ou por outras causas. Como conseqüência da presença destes problemas, resulta uma corrente chamada de corrente de curto-circuito ou corrente de falta, a qual e determinada levando-se em conta as tensões internas dos geradores e a impedância do sistema entre as tensões das maquinas e o ponto de falha. As correntes de curto- circuito costumam ser de magnitude muito superior as

correntes normais de operação, e, se persistirem em regime permanente sem serem eliminadas, podem causar danos nos equipamentos devido aos problemas térmicos que acarretam. Alem disso, enrolamentos de transformadores e barramentos condutores podem sofrer danos mecânicos devido as altas forcas magnéticas exercidas pela corrente de curto-circuito durante a falta. Sendo assim, espera-se que quando ocorrerem curtos-circuitos, os mesmos sejam eliminados tão rapidamente quando possível, a fim de evitar danos aos equipamentos e a sua propagação as demais partes do sistema que estejam operando normalmente.

Basicamente, podem ocorrer quatro tipos de curtos-circuitos em um SEE:

1. Curto-circuito trifásico. 2. Curto-circuito bifásico (ou fase-fase) 3. Curto-circuito bifásico-terra (ou fase-fase terra). 4. Curto-circuito monofásico (ou fase-terra). Todos estes tipos de curtos-circuitos podem ocorrer com a presença de

impedâncias de falta, a qual representa a impedância entre o ponto onde ocorre o curto-circuito e a terra.

Cada curto-circuito apresentado acima possui um comportamento de tensões e correntes característicos, os quais devem ser perfeitamente determinados a fim de que seja selecionada e ajustada a proteção correta.

A seguir, serão avaliados curtos-circuitos francos trifásicos para que seja empregado o equacionamento existente referente aos riscos provenientes do fluxo térmico produzido pelo arco elétrico.

As correntes de curtos-circuitos possuem valores muito superiores as correntes normais de carga. Isto permite que sejam feitas algumas simplificações que não introduzem erros apreciáveis e permitem que sejam adotadas algumas hipóteses simplificadoras. As principais simplificações são:

1. Todos os geradores síncronos do sistema são considerados operando

com a tensão de 1,0 pu e angulo de 0,0 (zero) grau; 2. Os parâmetros em derivação (shunt) das linhas são ignorados; 3. Para sistemas de EAT-Extra Alta Tensão e superiores, as resistências

series são desconsideradas (linhas de transmissão, transformadores), pois seus valores são muito inferiores as respectivas reatâncias serie.

4. As cargas são ignoradas; 5. Todos os transformadores do sistema são considerados operando

na derivação (tap) nominal; 6. A rede de seqüência negativa e considerada idêntica a rede de

seqüência positiva. Para estudos em que não sejam exigidos detalhamentos para analises

especificas, alem das simplificações acima são feitas algumas considerações adicionais, tais como:

• São simulados somente curtos-circuitos sólidos; • Considera-se somente a condição de máxima geração; • As impedâncias de seqüência zero (próprias e mutuas) das linhas de

transmissão são parâmetros aproximados.

A primeira observação decorre do fato de ser difícil de estimar valores para as impedâncias de falta. A segunda consideração leva em conta a adoção da capacidade nominal das usinas, pois a geração e função do despacho de carga e varia durante a operação diária dos SEE. A terceira consideração e colocada pelo fato de que as impedâncias de seqüência zero dependem da resistividade do solo em todo o trajeto da linha, o que causa uma grande dificuldade na determinação de um valor exato.

Levando em consideração as hipóteses apresentadas nos itens 1 a 4, verifica-se que o sistema pode ser representado como se estivesse operando em vazio.

A analise de curtos-circuitos em sistemas de energia e uma tarefa bastante complexa, uma vez que exige conhecimento da modelagem matemática de cada dispositivo e a determinação do nível da corrente de curto-circuito em cada ponto exige numerosos cálculos. Este método somente e viável para redes de pequena dimensão, uma vez que deve ser realizada uma serie de redução de redes, sendo sua principal aplicação o estudo e entendimento da teoria básica de curto-circuito. Na Figura 3.1, esta mostrado o resultado da redução dos circuitos para o calculo do curto-circuito trifásico em uma barra especifica

.

Depois de reduzido o circuito, pode-se obter a corrente de curto-circuito em pu e em A, aplicando equações simples, como:

Para sistemas industriais e comerciais reais, compostos por dezenas ou centenas de geradores, dezenas ou centenas ou mesmo milhares de barras, linhas de transmissão e transformadores, deve-se recorrer ao calculo do curto-circuito utilizando simulação digital em computadores. A essência deste método e a formação da matriz impedância de barras e a utilização de métodos matriciais que efetuam o calculo das correntes de curto-circuito, contribuições das linhas, transformadores e alimentadores e tensões em todos os pontos do sistema, entre outras características.

4. Coordenação da Proteção

Curtos-circuitos causam muitos danos, portanto, devem ser eliminados no menor tempo possível, e a parte do sistema que for atingida deve ser isolada, tão rapidamente quanto possível, do restante do sistema, a fim de que as conseqüências do curto-circuito não originem outras falhas e comprometam a operação normal do sistema como um todo, o que poderia inclusive originar um blecaute.

Para executar esta função são projetados e operados esquemas de proteção. De uma forma simplificada e esquemática, um sistema de proteção genérico de um equipamento pode ser representado como na Figura 4.1.

Um sistema de proteção para alta e baixa tensão é composto, basicamente, dos seguintes elementos:

Disjuntor de baixa tensão: é um elemento que isola o sistema de baixa tensão de forma automática, contendo dispositivos sensores de correntes de curto –circuito incorporados. Existem vários tipos construtivos, a saber:

• Disjuntores em caixa moldada (MCCB molded-case circuit breaker) • Disjuntores em caixa isolada (ICCB insulated-case circuit breaker) • Disjuntores de potência de baixa tensão (LVPCB low-voltagepower

circuit breaker)

Um exemplo de disjuntor de baixa tensão, apresentado em corte e com indicação das principais componentes está apresentado na Figura 4.2.

Transformadores para instrumentos (transdutores ou redutores de medida): Os redutores de medidas, também conhecidos como transformadores para instrumentos, são transformadores especiais de corrente (TC) e potencial (TP), que tem a função de reduzir as grandes (correntes e tensões) e de isolar os instrumentos de medição, controle e proteção da rede onde estão conectados.

Relés indiretos: A função dos relés de proteção é, com base nos valores das medidas elétrica obtidas dos transformadores a instrumentos, tomar a decisão através da sua função específica (relé de sobrecorrente de fase, relé de sobrecorrente direcional, etc.) e comandar a abertura do disjuntor.

Quanto à tecnologia empregada, os relés de proteção podem ser dos seguintes tipos:

• Eletromecânicos • Estáticos • Digitais ou microprocessados Os relés costumam ser identificados por números, padronizados pela

NBR 5175:1988 [75], que descrevem a sua função, assim como, por exemplo, tem-se:

• Função 50 - relé de sobrecorrente instantâneo. • Função 51 - relé de sobrecorrente temporizado. • Função 87 - relé diferencial. • Função 21 - relé de distância. • Função 27 - relé de subtensão. Para que estes equipamentos sejam corretamente especificados e

possam operar da forma planejada, é necessário realizar estudos de curto-circuito a fim de determinar os níveis máximos de corrente em todos os pontos a serem protegidos, e os valores de tensão a que ficarão sujeitos os pontos do sistema quando da ocorrência de uma falta.

Fusíveis: Existem fusíveis de alta e baixa tensão de vários tipos, sendo os mais importantes os limitadores de corrente, cujo princípio está apresentado na Figura 4.3.

Disjuntor de alta tensão: É um elemento do sistema que isola a parte afetada através da interrupção da corrente de curtocircuito.

A corrente de curto-circuito é várias vezes superior à corrente de carga do equipamento (ou sistema) protegido. Disjuntores atuam na faixa de ciclos (2, 3, 5, ...ciclos), e quanto maior a sua velocidade de operação maior o seu custo.

Os disjuntores de alta tensão, quanto a seu tipo de extinção do arco e sua atuação, podem ser classificados como:

• Ar comprimido • Vácuo • SF6 (hexa-fluoreto de enxofre) • Pequeno ou grande volume de óleo A partir do conhecimento dos componentes e equipamentos que

realizam as funções de proteção do sistema e das intensidades das correntes de curto-circuito, podem ser realizados coordenogramas tempo x corrente como o apresentado a seguir na Figura 4.4 que contém um coordenograma tempo x corrente.

Os curtos-circuitos produzidos em sistemas elétricos são extremamente perigosos e potencialmente fatais para as pessoas. O arco elétrico ocorre quando os condutores das fases são curto-circuitados e a ionização do ar ocorre. Quando isto acontece, o arco elétrico produz grande quantidade de calor que pode queimar severamente a pele humana, tanto pelo contato direto na região aquecida, quanto a distância devido ao calor emitido na forma de radiação, e mesmo incendiar a roupa do pessoal envolvido com a instalação elétrica. Metal líquido aquecido é ejetado do local em curto-circuito radialmente.

O arco elétrico produz um aquecimento tão forte por onde a corrente de curto-circuito passa, num tempo extremamente curto, dando lugar a um processo explosivo, com geração de ondas de choque de grande intensidade, o que pode jogar as pessoas longe do local da falta.

Outros riscos a que fica exposto o pessoal envolvido com a falta e o decorrente arco elétrico, são:

• Risco de choque devido ao toque nos condutores energizados; • Gases em expansão produzidos pelo arco podem causar: • A projeção de material sólido • Ondas de pressão que podem tirar o equilíbrio de uma pessoa • Ondas de som que podem provocar problemas de audição

• Luminosidade excessiva causada pelo plasma no arco elétrico que pode causar cegueira temporária ou permanente

• Plasma do arco elétrico (com temperaturas da ordem de 19000 OC) que pode causar fogo e queimaduras em seres humanos

• Metal vaporizado que pode se depositar em superfícies e condensar em materiais frios

Quando um arco elétrico ocorre, o calor produzido pode danificar equipamentos e causar ferimentos nas pessoas. A maior preocupação corresponde ao ferimento produzido no seres humanos e é por este motivo que programas de exposição dos trabalhadores são realizados com a finalidade de ensinar os trabalhadores e reduzir ferimentos e fatalidades.

A Figura 5.1 apresenta um resumo do que foi comentado anteriormente.

Uma visualização da ocorrência de um arco elétrico produzido durante o chaveamento de um circuito de força de baixa tensão, empregando manequins para simular o ser humano, está apresentado na Figura 5.2, onde são apresentadas nove etapas, a saber:

• Etapa 1: Pré-manobra. • Etapa 2: Manobra. • Etapas 3 até 7: Início curto-circuito com o desenvolvimento de

arco elétrico, ocorrendo rápida expansão do ar aquecido, ondas de pressão, ondas sonoras, intensa luminosidade, projeção de partículas, vapores de cobre, projeção de metal líquido.

• Etapas 8 e 9: Eliminação do arco elétrico pelas proteções. A realização de tais ensaios visa determinar a intensidade sonora

produzida no ouvido humano, a pressão mecânica no peito do ser humano e as temperaturas a que fica sujeito o ser humano em diversas regiões do corpo, conforme apresentado na Figura 5.3.

6. Métodos de Cálculo de Efeitos de Arco Elétrico

Os métodos de cálculo normalizados empregam modelos de avaliação da energia incidente, desenvolvidos de forma empírica para facilitar os cálculos. As várias equações utilizadas são usualmente escritas em programas para computador devido à impraticabilidade de resolvê-las à mão. O método mais detalhado existente é o apresentado nas normas de procedência dos Estados Unidos da América.

6.1. Método da IEEE Std 1584:2002

Os limites de aplicabilidade dos modelos matemáticos baseados em análises estatísticas e ajustes de curvas descritos são os seguintes:

• Sistema trifásico • Faixa de tensões 208 V–15 000 V • Freqüência 50 ou 60 Hz • Curto-circuito franco de 700 A–106000 A • Aterramento de todos os tipos ou não aterrado • Invólucro de equipamentos dos usualmente comercializados • Espaçamento entre condutores de 13 mm até 152 mm • Curto-circuito considerado envolvendo as três fases Um modelo teórico baseado no artigo de Lee é aplicável para sistemas

trifásicos em subestações, sistemas de transmissão e distribuição ao tempo, sendo voltado para aplicações onde os curtos-circuitos evoluem para o curto-circuito trifásico. Onde isto não ocorrer, o modelo fornecerá valores conservativos. Da mesma forma, para sistemas monofásicos, este modelo apresentará valores conservativos.

A Figura 6.1 contém uma visualização esquemática de um curto-circuito trifásico franco (metálico) e de um arco elétrico em um sistema trifásico.

6.1.1. Corrente do Arco Elétrico

A corrente de arco presumida deve ser obtida de forma que o tempo de operação dos equipamentos de proteção possa ser determinado. Para aplicações com um sistema com tensão menor ou igual a 1000 V, deve ser resolvida a equação (1):

1gIa=K +0.662 lgIbf + 0.0966V+ 0.000526G+ 0.5588V(lgIbf) – 0.00304G(lgIbf) onde: Ig logaritmo decimal (log10) Ia corrente de arco (kA) K –0.153 para configurações ao tempo e –0.097 para configurações fechadas (em caixa) Ibf valor eficaz simétrico da corrente de curto-circuito franco para faltas trifásicas (kA) V tensão do sistema (kV) G é o espaçamento (gap) entre condutores apresentado na Tabela 6.1 (mm) Para aplicações com tensões nominais maiores do que 1000 V, deve ser resolvida a equação (2): lg Ia = 0.00402 + 0.983 lg Ibf Para sistemas de alta tensão não existe distinção entre configurações ao tempo ou configurações em caixa.

6.1.2. Energia Incidente

Primeiro deve-se determinar a energia incidente normalizada.

Esta equação é baseada em dados normalizados para o tempo de uma corrente de arco de 0,2 s e uma distância do possível local do arco para uma pessoa de 610 mm. lg En = K1 + K2 + 1.081 lg Ia + 0.0011 G onde En energia incidente (J/cm2) padronizada para tempo e distância K1 –0.792 para configurações abertas (sem invólucro) e –0.555 para configurações fechadas (equipamento encapsulado) K2 0 para sistemas não aterrados e aterrados por alta resistência e –0.113 para sistemas aterrados G espaçamento (gap) entre condutores da Tabela 6.1 (mm) Finalmente, convertido da forma normalizada:

onde E energia incidente por unidade de área (J/cm2) Cf fator calculado, sendo 1,0 para tensões superiores a 1 kV, e 1,5 para tensões inferiores a 1 kV En energia padrão incidente por unidade de área (J/cm2) t tempo de duração do arco elétrico (s) D distância do local possível do arco e a pessoa considerada (mm) x expoente que correlacionado com a distância, obtido da Tab.6.1

Os outros casos são trabalhados matematicamente de forma similar.

A Figura 6.2 contém uma visão simplificada dos resultados obtidos a partir do emprego deste método de cálculo.

6.1.3. Método de Lee

Para casos onde a tensão for superior a 15 kV ou o espaçamento (gap)

estiver for a dos limites do modelo, o método de Lee pode ser ajustado teoricamente e aplicado.

Onde: E energia incidente (J/cm2) V tensão do sistema (kV) T tempo de duração do arco (s) D distância do local possível do arco e a pessoa considerada (mm) Ibf corrente de curto-circuito franco (kA)

Para tensões superiores a 15 kV, a corrente de curto-circuito de arco é considerada ser igual à corrente de curto-circuito franca.

6.1.4. Superfície de Proteção Contra Arco

O modelo numérico desenvolvido a partir de parâmetros empíricos está apresentado a seguir.

Para o método de Lee tem-se:

Onde: DB distância da superfície considerada para o ponto de arco (mm) Cf fator de cálculo, sendo 1,0 para tensões maiores do que 1 kV, e 1,5 para tensões inferiores a 1 kV En energia incidente por unidade de área normalizada (J/cm2) EB energia incidente por unidade de área normalizada na superfície considerada (J/cm2) t tempo de duração do arco (s) x expoente função da distância (Tabela 6.1) Ibf corrente de curto-circuito franco (kA) EB pode ser ajustada em 5,0 J/cm2 para a pele (sem proteção) ou para as características nominais propostas para o EPI

6.1.5. Fusíveis Limitadores de Corrente

As equações para calcular a energia produzida pelo arco elétrico com o

emprego de fusíveis limitadores de corrente foram desenvolvidas através do resultado de ensaios em 600 V, distância de 455 mm, correntes nominais na faixa de menos do que 100 A até 2000 A e correntes de curto-circuito na faixa de menos de 0,65 kA até 106 kA, para vários tipos de fusíveis.

E = 4.184 (–kf1 Ibf + kf2) Onde: Ibf corrente de curto-circuito franco trifásica simétrica eficaz (kA) E energia incidente (J/cm2) kf1 constante função do tipo de fusível kf2 constante função do tipo de fusível

6.1.6. Disjuntores de Baixa Tensão

Foram desenvolvidas equações para sistemas que utilizam disjuntores

da baixa tensão que fornecem a energia incidente e a superfície de proteção contra arco quando a corrente de curto-circuito franco é conhecida ou pode ser

calculada. Tais equações não necessitam do conhecimento das curvas tempo x corrente, mas estas devem ser utilizadas na faixa apropriada. As equações que fornecem a energia incidente e a superfície de proteção contra arco apresentam a seguinte forma geral.

E ou DB = kd1 Ibf + kd2 Onde: Ibf corrente de curto-circuito franco trifásica simétrica eficaz (kA) E energia incidente (J/cm2) DB distância da superfície considerada para o ponto de arco (mm) kd1 constante função do tipo de fusível kd2 constante função do tipo de fusível

As equações são definidas em função de correntes nominais na faixa de 100 A até 6300 A, correntes de curto-circuito na faixa de 700 A até 106 000 A, do tipo do disjuntor e da tensão menor ou igual a 480 V e máxima de 690 V.

Os tipos de disjuntores considerados foram os em caixa moldada (MCCB), caixa isolada (ICCB) e de baixa tensão (LVPCB), enquanto que os tipos de disparadores podem ser termomagnéticos (TM), magnéticos (M), eletrônicos (E), tempo longo (L), tempo curto (S), instantâneo (I) e tempo-longo e instantâneo (LI).

6.2 – Método da NFPA 70E:2004

O método da NFPA 70E do ano 2004 refere a norma IEEE Std 1584

:2000 como base para os cálculos necessários, fazendo exemplos simplificados para fácil entendimento.

No documento da NFPA está definido que cruzar a superfície de proteção contra arco e entrar no espaço proibido é considerado como fazer contato com condutores energizados expostos ou partes dos circuitos, conforme apresentado na Figura 6.3. Entretanto, pessoas qualificadas devem fazer o que segue:

1. Trabalhar em condutores energizados ou partes dos circuitos por terem realizado treinamento específico para tanto;

2. Apresentar planejamento documentado justificando a necessidade de trabalhar em tal proximidade;

3. Realizar análise de risco; 4. Apresentar os itens 2 e 3 aprovados pela gerência autorizada; 5. Usar EPI apropriado para trabalhar em condutores energizados

expostos ou parte do circuito, sendo apropriado para a tensão e nível de energia considerado.

Quanto ao tipo e emprego de EPI adequado para riscos associados ao arco elétrico, a NFPA 70E apresenta uma Tabela correlacionando a “categoria de risco ou ferimento (de 0, mínimo, para 4, máximo)”, os “sistemas típicos de proteção (indicando o número de camadas de roupas a serem usadas)” e a respectiva “suportabilidade mínima do EPI contra arco elétrico (em J/cm2 e cal/cm2)”.

7 – Programas Comerciais (softwares) Existentes

Considerando a existência de vários programas comerciais, utilizados em microcomputadores pessoais, para avaliação e análise dos riscos e EPI’s a empregar como proteção contra o arco elétrico, apresentam-se a seguir alguns aspectos a considerar na seleção e aplicação dos mesmos. Salienta-se que os programas apresentados não são os únicos existentes no mercado.

7.1 – Avaliação de funções [87]

Para a realização de um estudo do risco e dos EPI’s a serem

empregados para proteção contra arcos elétricos, vários itens devem ser considerados, pois a análise deve ser realizada em associação ou como continuação dos estudos de curto-circuito e de coordenação da proteção. Os passos para a realização de tal estudo, considerando uma instalação nova, consideram os itens apresentados na Tabela 7.1.

Os programas para microcomputador serão avaliados em termos da realização de todas as funções, sendo considerados plenamente adequados quando realizarem os nove passos apresentados.

Observe-se que os fabricantes de EPI’s resistentes a arco, têm fornecido, livremente, calculadoras que permitem determinar a energia incidente e o respectivo EPI a ser empregado. Obviamente tais programas não atendem todos os passos para uma análise do sistema elétrico da instalação considerada.

A própria norma IEEE Std 1584:2002 fornece um software, realizado em EXCEL, que calcula as equações da norma para situações específicas, estando as telas apresentadas na Figura 7.1

Para utilização do software da IEEE Std 1584, devem ser fornecidas informações do tipo: nome do barramento; nome do equipamento de proteção; tensão nominal do barramento; corrente de curto-circuito franco na barra; corrente de curto-circuito franco no equipamento de proteção; corrente de arco no equipamento de proteção; tempo de retardo do dispositivo de proteção; tempo de abertura do disjuntor; aterramento do sistema; tipo de instalação do equipamento e espaçamento entre eletrodos. Com base nas informações fornecidas ao software, são retornadas as seguintes informações: superfície limite; distância de trabalho; energia incidente e classe do EPI resistente ao arco elétrico.

Existem softwares mais antigos, escritos em DOS, realizados por empresas de energia elétrica como a DUKE Power, Figura 7.2, os quais somente empregam as equações as equações disponíveis e as resolvem. A entrada de dados para o cálculo é realizada linha por linha, sendo o único resultado apresentado à energia incidente. Na Figura 7.2 se apresenta o aspecto de tal software.

O software exemplificado a seguir é de um fabricante brasileiro de EPI’s específicos para proteção de trabalhadores contra arcos elétricos, o qual emprega como referência de cálculo a NFPA70E. As informações para cálculo, os resultados e as instruções para emprego, estão apresentadas na Figura 7.3.

Os resultados de saída do software correspondem a vestimentas de proteção.

A ESA, fabricante de software de grande porte para cálculo de risco devido ao arco elétrico, apresenta no seu site [I2], uma calculadora simplificada que permite definir o EPI adequado contra os efeitos do arco elétrico, Figura 7.4. No mesmo site, informa que tal calculadora é apenas demonstrativa, não devendo ser empregada para fins de especificação de EPI’s.

As opções na Drop Down Box são: Switchgear, open air bus, conductor, MCC, panel, switchboard, NEMA E2 Contractor, Int switch, VFD, UPS, ATS and other. Entre os softwares completos, que atendem os nove itens simultaneamente, um deles é o ETAP. Inclusive acrescenta a elaboração de etiquetas de advertência para serem empregadas junto aos equipamentos, informando dos riscos e EPI’s apropriados a serem utilizados pelos eletricistas que lidam com tais equipamentos. Um exemplo geral de telas e das interconexões entre módulos do software se encontra na Figura 7.5.

Outro software que realiza as nove funções indicadas na Tabela 7.1 é o da EASY POWER, cujos módulos são divididos e conectados entre si, para permitir a análise do risco devido ao arco elétrico. Os módulos são referentes ao diagrama unifilar, curto-circuito, coordenação da proteção e risco devido ao arco elétrico. A Figura 7.6 ilustra tal software.

Os valores dos softwares se situam na faixa de baixo custo para o tipo calculadora, na ordem de US$ 995 até US$ 4495 para uma licença do software

de capacidade até 300 barras que executam a avaliação dos riscos decorrentes do arco elétrico, integrando funções de diagrama unifilar, curto-circuito e coordenação da proteção [I5].

8 - EPI´s para proteção contra arcos elétricos

No Brasil não existe normalização explícita em termos de riscos específicos contra os efeitos térmicos do arco elétrico. O Ministério do Trabalho apresenta duas Normas Regulamentadoras envolvendo instalações elétricas, a saber: a NR 10 - Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade [78] e a NR 6 – Equipamento de Proteção Individual [79].

A NR 10 é explícita em termos de proteção contra choque elétrico, apresentando inclusive tabela de espaçamentos de segurança a serem observados em termos do nível de tensão que está sendo considerado. Não apresenta aspectos explícitos quanto aos efeitos e conseqüências do arco elétrico, entretanto, por segurança, apresenta a seguinte afirmação que supera esta deficiência: “observando-se as normas técnicas oficiais estabelecidas pelos órgãos competentes e, na ausência ou omissão destas, as normas internacionais cabíveis”.

A NR 6 define EPI’s tipicamente para proteção contra choques elétricos e contra riscos de origem térmica, como segue.

Capacete de segurança: para proteção contra choques elétricos; Capuz de segurança: para proteção do crânio e pescoço contra riscos

de origem térmica; Óculos de segurança para proteção dos olhos: contra impactos de

partículas volantes, para proteção contra luminosidade intensa, para proteção contra radiação ultravioleta, para proteção contra radiação infravermelha;

Protetor facial de segurança para proteção da face: contra impactos de partículas volantes, para proteção contra radiação infravermelha, para proteção contra luminosidade intensa.

Protetor auditivo Respirador purificador de ar Vestimentas de segurança para proteção do tronco: que ofereçam

proteção contra riscos de origem térmica, mecânica e radioativa. Luva de segurança para proteção das mãos (membros superiores):

contra choques elétricos e contra agentes térmicos. Manga de segurança para proteção do braço e do antebraço

(membros superiores): contra choques elétricos e contra agentes térmicos. Calçado de segurança para proteção dos pés (membros inferiores):

contra choques elétricos e contra agentes térmicos. Perneira de segurança para proteção da perna (membros

inferiores): contra agentes térmicos. Calça de segurança para proteção das pernas (membros inferiores):

contra agentes térmicos. Macacão de segurança para proteção do tronco e membros

superiores e inferiores (proteção do corpo inteiro): contra agentes térmicos.

Conjunto de segurança (proteção do corpo inteiro): formado por calça e blusão ou jaqueta ou paletó, para proteção do tronco e membros superiores e inferiores contra agentes térmicos.

Considerando que o arco elétrico produz efeitos mecânicos (pressão, ondas de choque, emissão de partículas, ondas sonoras e rápida expansão do ar) e efeitos térmicos (vapores metálicos, metal em fusão, radiação térmica, ondas infravermelha, ultravioleta e raios X), pode-se dizer que a NR 6 subentende a indicação da aplicação de EPI resistente ao arco elétrico. Entretanto, não explicita a forma de especificar tal EPI, havendo a necessidade de realizar tal definição com base em normas internacionais.

Deve-se observar, entretanto, que a segurança do trabalhador é realizada através de uma série de itens como indicado de forma compacta na Figura 8.1.

Existem no mercado vários fabricantes de EPI’s resistentes ao arco elétrico, sendo, na maioria das vezes, o material resistente à chama (flame resistant) empregado para categoria de risco ou ferimento 1 a 4, usualmente importado, conforme Tabela 8.1, (adaptada e traduzida da NFPA 70E), referente ao tipo e emprego de EPI adequado para riscos associados ao arco elétrico.

Uma visão de tais equipamentos de proteção individual está na Figura

8.2, apresentada a seguir.

]

Para minimizar os efeitos do arco elétrico sobre os seres humanos, podem ser empregados instrumentos de segurança, tais como os apresentados a seguir:

9 - ensaios em EPI´s para Proteção Contra Arcos elétricos

As principais normas para ensaios de vestimentas e matérias resistentes

aos efeitos térmicos produzidos pelo arco elétrico são a IEC, ASTM, IEEE e NFPA, sendo normas dedicadas somente aos ensaios a IEC e ASTM.

9.1 - Norma ASTM F1959/F1959m-05A Copyright 2006 [85]

A norma ASTM F1959/F1959M-05a Standard Test Method for

Determining the Arc Thermal Performance Value of Materials for Clothing (Método de Ensaio Padronizado para Determinação do Real Desempenho Térmico ao Arco de Materiais para Vestimentas), apresenta um método de ensaio para medir os valores nominais do arco de materiais pretendidos para uso como vestimenta resistente à chama para trabalhadores expostos ao arco elétrico que podem produzir fluxos térmicos de 84 até 25120 kW/m2 (2 até 600 cal/cm2). Os materiais empregados no ensaio são amostras planas.

No método de ensaio serão empregadas medições e descritas as propriedades dos materiais, produtos ou montagens em resposta à energia

convectiva e energia radiante produzidas pelo arco elétrico sob condições controladas de laboratório.

A norma não lida com aspectos de segurança, se existentes, associados com o seu emprego, sendo responsabilidade do usuário estabelecer aspectos práticos de segurança e saúde e aplicar a legislação pertinente.

Esta norma é nomeada como uma active standard, o que significa que é a versão corrente, versão oficial de uma norma ASTM, substituindo as versões históricas anteriores de tal norma.

9.2 - norma IEC 61482-1:2002

A parte 1 da IEC 61482 especifica os métodos de ensaio para medir o

desempenho de materiais diante do arco elétrico, empregados em vestimentas resistentes ao calor e ao arco elétrico para os trabalhadores expostos ao arco elétrico.

Os métodos de ensaio medem o desempenho de materiais resistentes ao efeito térmico do arco que apresenta os seguintes requisitos: menos de 100 mm de comprimento de carbonização e menos do que 2 s após removido da chama, quando ensaiados de acordo com a ISO 15025, procedimento B (ignição no limite inferior) no material externo.

Os materiais empregados nestes métodos são em forma de amostras planas para o método A e camisas para o método B.

O método A é empregado para medir a resposta do tecido para a exposição ao arco quando ensaiado em configuração plana.

O método B é empregado para medir a resposta de vestimentas expostas ao arco, incluindo costuras, fechos, tecidos e outros acessórios quando ensaiado em um torso de manequim.

9.2.1 - método A – montagem de três painéis com dois sensores

O método A se refere à realização de três painéis construídos com

materiais resistentes à chama e localizados a 120o entre si. Em adição, cada painel com dois sensores deve ter dois sensores de monitoramento. Um sensor de monitoramento deve ser posicionado em cada lado do painel de dois sensores, como mostrado na Figura 9.1.

9.2.2 - método B – utilização de manequins

O método B utiliza o torso de manequins masculinos de tamanho grande

(largura do peito 1 067 mm ±25 mm) instrumentados localizados a 120o entre si. Em cada manequim são colocados dois sensores para monitoramento do ensaio.

9.3 - Norma IE Std 1584:2002

Os pesquisadores têm realizado diversos programas de ensaio em

laboratórios de alta potência visando desenvolver e compreender as características do arco elétrico e da energia incidente resultante; também têm se esforçado na construção de uma base de dados que possa ser empregada para desenvolver equações empíricas ou para verificar as equações baseadas no modelo físico. A norma inclui a descrição de todos os programas de ensaios e uma coleção de informações sobre tais ensaios que foram utilizadas para desenvolver o Guia do IEEE.

Três tipos básicos de ensaios foram empregados para tal avaliação, conforme segue:

A) Arco elétrico monofásico no ar com eletrodos alinhados, como apresentado na Figura 9.2.

B)

B) Arco elétrico trifásico no ar com eletrodos ligados em paralelo, como

apresentado na Figura 9.3.

C) Arco elétrico trifásico com eletrodos ligados em paralelo dentro de

uma caixa, como apresentado na Figura 9.4.

O método de ensaio para determinar a habilidade dos materiais

proverem proteção contra o arco elétrico está definida na ASTM F-1959-99. A norma ASTM é a base para os ensaios de energia incidente descritos na IEEE 1584. Considera-se que a ASTM permita definir se determinado material de vestimenta pode suportar a energia incidente até o ponto em que exista 50% de probabilidade de que a pele sob o material sofra uma queimadura de segundo grau. A metodologia de ensaio trabalha igualmente bem para determinar a energia incidente para a qual um trabalhador possa ser exposto em termos do arco elétrico em uma instalação específica. Os resultados dos dois tipos de ensaios são complementares.

Para cada ensaio de energia incidente, um vetor de sete calorímetros de cobre são localizados em frente dos eletrodos do ensaio, em uma distância D

da linha de centro dos eletrodos. Um conjunto de três calorímetros é localizado em uma fileira horizontal na mesma altura das pontas dos eletrodos. Um segundo conjunto de três calorímetros é instalado em uma fileira horizontal a 152mm abaixo das pontas dos eletrodos. Os calorímetros em cada conjunto são alinhados com o eletrodo do centro. Um único calorímetro é instalado a 152mm acima do terminal do eletrodo do centro.

A energia incidente é determinada por cálculo baseado na elevação de temperatura dos calorímetros de cobre, montados em frente dos eletrodos. As informações da elevação de temperatura do calorímetro de cobre, em graus Celsius, são convertidas para a energia incidente em J/cm2 pela multiplicação da temperatura por 0,565. As medições de absorção do sensor têm determinado que a energia absorvida é igual ou maior do que 90% da energia incidente para calorímetros de cobre. Entretanto, as energias incidentes e absorvidas são consideradas equivalentes, e o termo energia incidente é empregado.

A fim de simular o equipamento elétrico, condutores de cobre duro, com diâmetro de 19,05mm, são empregados como eletrodos de arco em todos os casos. Os eletrodos são tipicamente verticais em uma configuração plana com espaçamento entre eles. Os arcos são iniciados por um fio de bitola 10 AWG ligado às terminações dos eletrodos. Em todos os ensaios é necessário instalar blocos isolados de suporte entre eletrodos adjacentes para prevenir que os eletrodos verguem para fora devido às forças extremamente elevadas criadas pelas correntes do arco elétrico.

A corrente de curto-circuito metálico disponível nos terminais do ensaio é medida na interligação dos eletrodos em conjunto na parte superior da montagem. As durações de todos os ensaios envolvendo arcos elétricos são selecionadas para minimizar os danos no conjunto dos equipamentos que constituem o ensaio e para permitir uma elevação de temperatura mensurável nos calorímetros.

As correntes e tensões de fase foram medidas digitalmente e os valores eficazes (RMS) foram calculados. A potência do arco foi calculada pela integral do produto das correntes de fase pelas tensões e somado os resultados. A energia do arco foi calculada pela integração da potência do arco pela duração do arco. Tipicamente, todo o processamento dos dados medidos foi realizado usando as funções residentes no osciloscópio digital.

Visando reduzir o impacto da variabilidade do arco elétrico, múltiplos ensaios foram conduzidos em cada conjunto de ensaio. Sabendo-se que a duração do arco varia ligeiramente de ensaio para ensaio, um fator de correção do tempo de duração foi aplicado aos dados de elevação de temperatura dos sete sensores dos calorímetros de cobre para assegurar que cada energia incidente de arco registrada fosse baseada em uma duração de arco de 200m.

Para cada um dos programas de ensaio, a média da energia incidente para os sete sensores e a média da máxima energia incidente registrada por um único sensor foram calculadas para cada ensaio. Nos ensaios monitorados pelo comitê, cada um deles foi registrado separadamente, sendo a média e a máximas energias incidentes registradas.

9.4 - Norma NFPA 70E:2004

A norma NFPA 70E:2004 não apresenta método de ensaio próprio, valendo-se principalmente das normas ASTM existentes para ensaio de tecidos resistentes ao arco elétrico.

10 – Conclusão

Pretendeu-se com esta monografia discutir e aprofundar o conhecimento

sobre o assunto de segurança pessoal no que se refere aos efeitos do arco elétrico.

Sabe-se que o assunto mais citado quando do emprego da eletricidade é o choque elétrico, sendo o assunto ferimentos ou morte devido ao arco elétrico, ainda algo pouco conhecido.

Considerando os diversos efeitos produzidos pelo arco elétrico, verifica-se que resta estudar uma série deles. Os principais efeitos estão listados na Tabela 10.1, com comentários dos estudos necessários para aumentar o conhecimento sobre o assunto.

A partir da Tabela 10.1, verifica-se que pouco foi realizado ou divulgado nos itens em que se supõe que o EPI seja eficiente. Pouco ou nada da eficiência dos EPI para tais assuntos foi divulgado, necessitando maiores pesquisas e divulgação dos resultados.

Outro aspecto de extrema importância é o de que os métodos de cálculo apresentados nas normas são baseados em métodos semi-empíricos, ou seja, uma quantidade significativa de informações é buscada em ensaios e transposta para equações. Conforme visto nesta monografia, métodos analíticos podem ser aprimorados/desenvolvidos para predizer os efeitos do arco elétrico no ser humano, seja com a pele do ser humano exposta diretamente, seja com o emprego de vestimentas de várias camadas. Conhecendo-se as propriedades dos diversos materiais que compõem as vestimentas à prova de arco elétrico e da pele, podem ser desenvolvidos modelos matemáticos para predizer, com segurança e confiabilidade, os efeitos térmicos do arco elétrico na pele.

É importante enfatizar que o consenso normalizado de segurança para o

ser humano, em todas as normas é que o dano ou ferimento resultante no ser humano seja limitado a uma queimadura de segundo grau. Por exemplo, a NFPA70E define a distância de um arco aberto para limitar os danos à pele humana para uma queimadura curável de segundo grau [menos do que 80 oC na pele] ao ar livre.

Apesar da existência da NR10, verificou-se por experiência própria [84] e troca de informações com docentes das Instituições de Nível Médio e Superior, que nada ou quase nada foi realizado em termos de segurança de Laboratórios de Ensino das diversas disciplinas relativas à eletricidade, não sendo prestadas informações aos alunos ou acadêmicos, muitas vezes sem nenhum conhecimento dos perigos da eletricidade. Assim sendo é importante que sejam desenvolvidos Manuais de Segurança no Uso de Laboratórios de Eletricidade, constando no mínimo dos seguintes itens:

1. Introdução 2. A NR 10 Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade 3. O choque elétrico 4. Os perigos do choque elétrico 5. O arco elétrico 6. Os perigos do arco elétrico 7. Procedimentos de segurança no uso do laboratório 8. Procedimentos de socorro 9. Onde obter socorro 10. Leituras recomendadas Tais manuais devem ser divulgados aos acadêmicos em disciplinas do

tipo Introdução à Engenharia e sempre relembrados quando da realização de experimentos envolvendo eletricidade.

Observa-se que mesmo indústrias de porte desconhecem ou pouco conhecem dos requisitos da NR 10 em termos de segurança dos seus empregados que lidam com eletricidade, seja em termos de choque elétrico, seja em termos dos danos possíveis aos seus empregados pelo arco elétrico.

Finalmente, é importante ressaltar a necessidade de verificar a segurança das instalações elétricas visando quantificar e avaliar os perigos que envolvem o arco elétrico, garantindo-se a integridade física do ser humano.

Autores: Guilherme Alfredo Dentzien Dias é engenheiro eletricista, Mestre e

Doutor pela universidade Federal do rio Grande do sul, com especialização em sistemas elétricos de Potência e em engenharia de segurança com a monografia “riscos para o ser humano devido ao Arco elétrico”. É avaliador líder (lead Assessor) da Associação rede de metrologia e ensaios do rio Grande do sul;

César Antônio leal é MSc e PhD em engenharia nuclear pela universidade da Califórnia, Berkeley, consultor em Análise de riscos industriais e engenharia de segurança do trabalho, ex-professor da universidade Federal do rio Grande do sul, atual gerente do escritório de Porto Alegre da det norske Veritas