62 DEZEMBRO/2001

ARTIGOARTIGO ARCOS ELÉTRICOSARCOS ELÉTRICOS

m dos assuntos da engenharia deeletricidade que tem sido objeto deestudos recentes, entre vários es-pecialistas da Europa, Canadá eEstados Unidos relacionados aos

Fenômeno indesejávelEstudos têm reconhecido os perigos e indicado quais osmétodos mais eficazes para a Segurança do trabalhador

Uaspectos da Segurança, é o das queimadurasprovocadas pelo calor liberado por um arcoelétrico ocasionado por curto-circuito. A en-genharia elétrica, como o setor que tem amaior afinidade no estudo e cálculo de curtocircuito e proteção de sistema elétrico indus-trial, tem realizado vários estudos e testes emlaboratórios para determinar a energia libera-da por um arco elétrico. Vários artigos a res-peito deste assunto têm sido publicados peloIEEE (Institute of Electrical and ElectronicsEngineers, Inc.).

As entidades de Segurança do Trabalho, co-mo o OSHA e NFPA dos Estados Unidos,prescrevem que conhecer os riscos de arcoselétricos, determinar a energia liberada peloarco elétrico e escolher o tipo de proteção con-tra queimaduras são requisitos específicos desegurança elétrica e estão sujeitos à fiscaliza-ção quanto ao seu cumprimento no seu res-pectivo país de origem.

A ASTM tem estabelecido critérios e mé-todos para testar tecidos e determinar os parâ-metros de proteção contra queimaduras no ca-so de uma exposição ao arco elétrico. Já exis-tem no mercado vários fabricantes de tecidosresistentes ao calor do arco elétrico com infor-mações para determinar o nível de proteção.No campo da Medicina, a Universidade deChicago mantém um departamento de pesqui-sa e tratamento específico para queimadurasprovocadas pelos arcos elétricos. Este artigotem como objetivo descrever, de uma formaresumida, o avanço destes estudos e os respec-tivos resultados na expectativa de ser útil paraestimar o risco do arco e proteger os trabalha-dores.

Deve ser lembrado que qualquer proteçãoou EPI (Equipamento de Proteção Individu-al) é a última proteção que o trabalhador pos-sui na eventualidade de falharem todas as de-mais medidas preventivas de segurança. Por-tanto, todo o esforço deve ser dedicado paraque o trabalhador não se exponha a estes ris-cos.

PRÁTICAS ATUAISAs normas técnicas internacionais e brasi-

leiras para equipamentos elétricos, prescrevem

Luiz K. TomiyoshiEngenheiro eletricistaSenior member do Institute of Electrical andElectronics Engineers, Inc. (IEEE)Membro do Grupo Corporativo de SegurançaElétrica (E.I. Dupont)Engenheiro consultor da DuPont do Brasil S.A

que os equipamentos devem ser dimensiona-dos e construídos para suportar os esforçosmecânicos e térmicos em casos de curtos cir-cuitos. No caso de painel elétrico de médiatensão denominado Conjunto de Manobra eControle, mais conhecido na prática como pai-nel de média tensão, CCM de média, Painéisou quadros de Distribuição, tanto a normaABNT - NBR 6979, quanto o IEC 298, pres-crevem o tipo de ensaio de arco elétrico criadopelas falhas internas, e que o resultado dosensaios serão considerados satisfatórios quan-do, nas condições normais de operação do e-quipamento:

- As portas, tampas, etc, não se abrirem;- Partes ou componentes internos não fo-

rem arremessadas;- O arco não provocar perfurações no invó-

lucro;- Os indicadores verticais colocados exter-

namente não se inflamarem;- Os indicadores horizontais colocados

externamente não se inflamarem, e- Todas as conexões à Terra permanecerem

eficazes.

No caso de baixa tensão, a norma brasilei-ra NBR- 6808 ainda não foi revisada com in-clusão deste item, porém a IEC 1641 já pres-creve o mesmo tipo de proteção contra arcos,o que esperamos que em breve seja adotadotambém no Brasil. A Engenharia de projetostem utilizado ferramentas computacionais pa-ra melhor calcular as correntes de falhas e a-dequadamente dimensionar equipamentos, ainstalação e coordenar os dispositivos de pro-teção, isolando-se assim o equipamento ouárea com falha e permitindo a continuidadede operação das áreas não envolvidas na falha.

Os dispositivos de proteção, como fusíveise disjuntores, também têm as suas caracterís-ticas de proteção normalizadas definindo otempo de abertura ou interrupção e limitaçãode correntes de curto circuito para permitirque os usuários possam selecionar adequada-mente para proteger os equipamentos ou a ins-talação contra os efeitos destrutivos em casode uma falha.

Apesar de todos estes requisitos de seguran-ça exigidas por normas e boas práticas de en-genharia, as condições de risco aos trabalha-

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dores continuam e sempre continuarão exis-tindo, principalmente porque numa indústria,ao longo da vida do equipamento, sempre e-xistirá a intervenção humana para operação,manutenção preditiva, preventiva ou correti-va destes equipamentos. Vale ressaltar que amaioria dos incidentes e acidentes ocorridos,apesar de não serem admitidos pela maioria,tem como causa raiz o erro humano, seja elagerencial (supervisão) ou operacional (funcio-nários).

No aspecto gerencial pode-se considerar co-mo causa a falha na avaliação e controle dorisco, na atualização dos documentos indican-do as alterações e mudanças introduzidas nosequipamentos após a instalação, tais comosubstituição de componentes danificados, mu-danças e ampliações e, em alguns casos, alte-rações construtivas do equipamento para faci-litar a operação e manutenção alterando-se ascaracterísticas de segurança originais.

Como exemplo de causa operacional pode-se mencionar a operação de liga-desliga coma porta mal travada ou aberta, inserção e remo-ção de partes ou componentes extraíveis combarramentos energizados e guias desalinha-das ou mesmo um erro na simples tarefa demedição de tensão ou na operação de testecom as portas abertas. Estas condições nãoestão prescritas na norma de fabricação deequipamentos, e assim, expondo os trabalha-dores aos riscos de arcos elétricos.

Todos estes fatores contribuem para o apa-recimento dos riscos de arcos elétricos. Devoinsistir que a segurança das pessoas não seconsegue somente com o EPI, mas sim, atra-vés do gerenciamento e controle dessas mu-danças, do completo conhecimento dos requi-sitos de segurança e da correta manutenção eoperação destes equipamentos.

FENÔMENO INDESEJÁVELO arco elétrico é um fenômeno da eletrici-

dade inerente aos sistemas elétricos. Podemexistir de uma forma intensa e controlada co-mo nos casos de solda elétrica e fornos indus-triais ou com liberação de pequena quantida-de de calor como nos casos de interruptorespara lâmpadas. No caso de falhas elétricas oucurto circuito é um fenômeno indesejável quelibera uma enorme quantidade de calor. Estefenômeno, além da liberação de calor, liberapartículas de metais ionizadas que eventual-mente podem conduzir correntes, desloca-mento de ar com aparecimento de alta pres-são, prejudicial ao sistema auditivo, e raiosultravioletas prejudiciais à visão.

Normalmente os arcos elétricos em painéisaparecem por:

- Mau contato, por exemplo, pela perda depressão dos parafusos de conexão;

- Depreciação da isolação (sobretensão,sobrecarga e fim de vida do dielétrico);

- Defeito de fabricação de componentes ouequipamento (quando não detectada no iní-cio, o mesmo aparece ao longo da vida);

- Projeto e instalação inadequada ou maldimensionada;

- Manutenção inadequada (introdução demudanças sutis, sem avaliação técnica ade-quada) e;

- Contatos acidentais ou inadvertidos deferramentas ou peças (erro humano).

Como pode ser observado, a maioria dascausas do aparecimento do arco é conhecido,portanto, é possível tomar-se ações preventi-vas antes do seu aparecimento, sejam admi-nistrativas ou preditivas. Essas ações podeme devem iniciar já durante a elaboração doprojeto, fazendo parte do controle de quali-dade durante todas as demais etapas, taiscomo: montagem, manutenção preditiva, in-clusive dos procedimentos administrativos eoperacionais.

É fácil de perceber que a responsabilidadeda segurança é um esforço em conjunto daEngenharia de Projeto, Operação, Manuten-ção e Gerência administrativa coordenado pe-lo setor de Engenharia de segurança Industrial.Neste ponto, pode-se ressaltar, uma vez mais,que a proteção contra queimaduras por arcodeve ser considerado como o último recurso,e não como a proteção principal. Desta forma,a prática de segurança deve ser iniciada naprevenção contra aparecimento do arco.

ENERGIA NUM CURTOO calor liberado num curto circuito com ar-

co pode ser determinado e estimado para cadaponto de operação de um sistema elétrico utili-zando-se as ferramentas de cálculo de enge-nharia, seja de forma tradicional ou atravésde programas computacionais. Os seguintesdados e informações podem ser normalmen-te obtidos no setor de engenharia de projetoou de manutenção:

- Diagrama unifilar completo e atualizadoda instalação;

- Correntes de curto-circuito simétrico trifá-sico sólido disponível em cada ponto do sis-tema (ou do equipamento) que se pretende es-timar a energia;

- Curvas de coordenação e seletividade deproteção do sistema elétrico. Os mesmo de-vem estar atualizados com o ajuste dos relésreais existente na instalação, e

- Tempo total de abertura e extinção do arcodos dispositivos de proteção (fusíveis, dis-juntores, etc)

O NFPA 70E-, já na edição de 1995, reco-nheceu e publicou uma formula teórica deRalph Lee, publicada pelo IEEE em 1982,para determinar a distância mínima entre ooperador e o ponto de falha que poderia serconsiderado seguro. Esta fórmula consideraque na distância calculada, o calor do arcoatinge o valor limiar de queimadura do segun-do grau da pele humana. Ou seja, um valorlimite que acima do qual provoca queimadu-ra de segundo grau.

Onde:D = distância do operador ao ponto da fa-

lha, ou arco, em pés;MVA = potência de curto circuito sólido

simétrico no ponto da falha, et = tempo de extinção do arco.Após a publicação do Ralph Lee, muitos

ferimentos foram evitados posicionando-se aspessoas na área segura, porém continuava orisco para os que necessitavam trabalhar per-to dos equipamentos, dentro da área de risco.E assim as roupas de tecidos resistentes ao

calor, principalmente aquelas utilizadas pelosbombeiros, foram propostas como alternati-vas para proteção contra o calor produzidopelos arcos elétricos de uma forma empíricae prática.

Viu-se, então, a necessidade de introduziro conceito de energia liberada pelo arco, istoé, de se quantificar o risco, a fim de melhordefinir a proteção adequada aos que necessi-tavam trabalhar dentro da área de risco.

Como os estudos de A.M. Stoll e M.A.Chianta, publicado em 1969, concluiu que omáximo valor de energia radiante que umapessoa, exposta durante um segundo, poderiasuportar sem sofrer queimadura do segundograu é de 1,2 cal/cm2, valor conhecido comoo limiar de queimadura do segundo grau, po-demos introduzir a variável E (calor) na for-mula de Lee (1) levando em consideração quena distância calculada a energia máxima é olimiar de queimadura, e fazendo as respecti-vas transformações para o sistema métricoobtém-se a fórmula (2):

E = 5.117*kV*kA*t/ d 2 (2)Onde:E - Energia Incidente em cal/cm2;d - Distância em cm - maior do que 45 cm;t - tempo do arco em segundos;kA - corrente de curto circuito sólido trifá-

sico em kA, ekV - tensão do arco em kV.No entanto, esta solução não foi satisfatória.

A roupa de proteção normalmente utilizadapara suportar o calor de chamas, não deveriaser avaliada da mesma maneira para o casode arco elétrico. No caso do arco elétrico, tem-se uma quantidade muito grande de energialiberada a alta temperatura em pequeno espa-ço de tempo (muitas vezes menor do que umdécimo de segundos), com a transferência decalor predominantemente por radiação, en-quanto que no caso de chamas, o calor é pro-duzido a baixa temperatura (se comparadacom a temperatura do arco) e a transferênciaocorre 50% por radiação e 50% por con-vecção.

O calor ou a energia liberada por uma cha-ma é relativamente simples de se quantificarbaseado no poder calorífico do combustível eo tempo da chama. Conhecendo-se o total decalor irradiado, a escolha da proteção se re-sume em identificar o material que suporta ocalor incidente sem permitir que do lado pro-tegido o mesmo não atinja o valor limite queprovoca queimadura do segundo grau. Os es-tudos para proteção contra as chamas haviamatingido um estágio de desenvolvimento talque já existiam normas e parâmetro para de-terminar a performance dos tecidos contra ocalor e os métodos de testes e critérios paramedir as características de proteção, o queainda não ocorria em relação aos arcos elétri-cos.

A partir de 1995, vários estudos e testesforam conduzidos em laboratórios da Europae Canadá com arcos elétricos com o objetivode comprovar o comportamento da energialiberada por um arco elétrico em várias situa-ções, tendo como premissa os estudos de cur-to-circuito e o comportamento das correntese tensão em regime transitório.

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ARTIGOARTIGO ARCOS ELÉTRICOSARCOS ELÉTRICOSUm destes estudos e testes é o que foi con-

duzido no laboratório do Hydro Ontario, Ca-nadá, cujo resultado foi publicado na revistado IEEE em 1998, para caso de arcos em equi-pamentos elétricos de baixa tensão (até 1000volts), cujas fórmulas foram reconhecidas peloNFPA-70E e publicada na edição de feverei-ro de 2000.

Resumidamente, o teste consistiu em criararcos em duas situações distintas: a primeiradentro de uma caixa metálica com um dos la-dos aberto, simulando uma gaveta de umCCM com porta aberta, onde todo o calor éliberado pela parte frontal, e a segunda situa-ção com arco em ambiente aberto onde, nestecaso, o calor é liberado em todas as direções.

Nas duas situações foi criado o arco numcurto trifásico e medido o calor variando asdistâncias do ponto ao arco, distância entreos eletrodos, e as correntes de curto entre 16kA e 50 kA. Durante os testes verificou-seque a distância entre os eletrodos de 1,25” é oque dava a condição mais severa de radiaçãode arco, e assim foi fixado esta distância e otempo do arco em 0,1 segundos (6 ciclos).

Com os resultados, estabeleceu-se os algo-ritmos, para cálculos de energia nas situaçõesque mais se aproximava das configurações deequipamentos mais usuais nas instalações in-dustriais e em condições mais severas de li-beração de energia:

Assim, para arcos em caixa fechada che-gou-se à seguinte formula;

EC = 1038,7*d(-1,4738) *t*(0,0093*I2-0,3453*I+5,9675 (3)

E para arcos em ambiente aberto:

EA = 5271*d(-1,9593) *t*(0,0016*I2-0,0076*I+0,8938) (4)

No qual:E - Energia incidente em cal/cm2;d - Distância em polegadas, maior do que 18”;t - tempo do arco em segundos, eI - corrente de curto circuito sólido trifasico

em kA (válido para corrente entre 16 e 50 kA).

DETERMINAÇÃO DO TECIDOEm 1998, a ASTM publicou o procedimento

F 1959, estabelecendo-se os critérios de testepara medir a característica dos tecidos quan-do sujeitos à arcos elétricos. Esta característi-ca, chamada ATPV (Arc Thermal Performan-ce Value), é definida como o valor da energiaincidente que o tecido suporta sem permitirque exceda o valor limiar de queimadura dosegundo grau no lado protegido (fig. 1). Estevalor é medido em testes com equipamentosespecialmente montados para este fim e de-terminado pela aplicação de algoritmo espe-cialmente estabelecido pela ASTM .

Em alguns casos, este valor se torna muito

difícil de ser medido devido à combustão dotecido. Nestes casos é definido um valor equi-valente denominado E

BT (Breakopen Thres-

hold Energy), que é o valor médio dos 5 valo-res máximos de energia incidente que não pro-voca o “break open” do tecido e não exceda olimiar de queimadura do segundo grau. O“break-open” é definido como qualquer aber-tura na camada interna (próximo a parte pro-tegida) maior do que 0,5 pol2 em área ou ra-chadura maior do que 1 polegada em compri-mento.

Como regra geral, cada fabricante de roupade proteção deve fornecer os valores do ATPVou E

BT, em função do tipo da confecção, inde-

pendente dos valores fornecidos pelos fabri-cantes de tecidos. Caso a roupa seja fabricadacom várias camadas de um tecido, ou com-posição de tecidos diferentes, o mesmo se a-plica para o conjunto.

A publicação do IEEE, apresenta uma ta-bela (tabela 1), reproduzida no final, com va-lores médios dos resultados obtidos nos tes-tes pelo método da ASTM de várias tecidosde diferentes fabricantes. Estes valores sãovalores médios resultado dos testes, e podemser utilizados como um guia na escolha daroupa na falta de melhores informações.

FALHA DO EQUIPAMENTOÉ indiscutível que a engenharia elétrica tem

contribuído no desenvolvimento da economiae crescimento industrial, incluindo a seguran-ça operacional e patrimonial através dos sis-temas de proteção. Infelizmente esta mesmaeletricidade tem ocasionado ferimentos e mor-tes por queimaduras por choques e arcos elé-tricos. Na maioria dos acidentes, se procura acausa da falha do equipamento com o objeti-

vo de melhorar a qua-lidade do material ouequipamento e buscarnovas tecnologias pa-ra evitar recorrência,sem no entanto con-siderar a fragilidadedo corpo humano edas ações do indivíduopara dar melhor prote-ção.

Energia

Incidente Energia máxima

(Cal/cm2) (Limite para queimadura do

segundo grau)

ATPV OU EBT

Tecido

Figura 1 - ????

Tabela 1 - Guia para escolha de roupa de proteção em função da energia calculada,e valores típicos de ATPV

Faixa de energia Classe Descrição da Roupa Gramatura ATPVIncidente da Total OUCal/cm2 Roupa (Número total de camadas) Grama/m2 EBT

0-2 0 Algodão não tratado (1) 153-237 NÃO APLICÁVEL

2-5 1 Camisa e Calça com Fibra de Nomex® (1) 153-271 5-7

5-8 2A Roupa Interna de algodão mais Calça e 305-407 8-18Camisa de Fibra de Nomex® (2)

5-16 2B Roupa de baixo mais a Calça e Camisa 340-476 16-22de Fibra de Nomex® (2)

8-25 3 Roupa Interna de algodão, mais Calça 542-678 25-50e Camisa, mais avental de Fibra de

Nomex® (3)

25-40 4 Roupa Interna de algodão, mais Calça 813-1107 40->60e Camisa, mais avental duplo de

Fibra de Nomex® (4)

Fonte: Publicação do IEEENota: O número entre parênteses refere-se ao número de camadas do tecidoNomex®: Marca Registrada da DuPont

A maioria acredita que a melhoria no equi-pamento é a solução da segurança, porém asestatísticas não comprovam este fato. As me-didas tecnológicas atuais ainda não são sufi-cientes para dar proteção total às pessoas quenecessitam interferir nos equipamentos e di-ficilmente teremos uma solução. Como foivisto, a engenharia elétrica tem muito a contri-buir para evitar perdas de vidas humanas atra-vés da quantificação dos riscos elétricos e pro-pondo soluções para proteger o homem.

Referências:IEEE - Predicting Incident Energy to Better

Manage The Electric Arc Hazard on 600 V PowerDistribution Systems. Paper Nº PCIC 98-36; Ri-chard L. Doughty, Dr. Thomas E. Neal, H. LandisFloyd, II.

IEEE - Protective Clothing Guidelines For Elec-tric Arc Exposure. Paper Nº PCIC-96-34; Dr. Tho-mas E. Neal, Allen H. Bingham, Richard L.Doughty.

IEEE - The other Electricla Hazard: ElectricalArc Blast Burns. IEEE Trans. Industrial Applica-tions, Vol. 1A-18, No 3, p. 246 May/June 1982.

OSHA - Occupational Safety&Health Adminis-tration, 1910- subpart S.

NFPA 70E - National Fire Protection Associa-tion, Standard for Electrical Safety Requirementfor Employee Workplace - 2000 Edition.

ASTM - F-1959 Standard Test Method forDetermining the Arc Thermal Performance (Value)of Materials for Clothing by Electric Arc ExposureMethod using Instrumented Sensor Panels

ABNT - NBR - 6979 -Jul/98 - Conjunto de Ma-nobra e controle em invólucro metálico para ten-sões acima de 1 kV até 36,2 kV - Especificação

IEC - 298-1990 A.C. Metal Enclosed Switchgearand Controlgear for Rated Voltages above 1kV andUp to abd Including 52 kV

ABNT - NBR - 6808 - Mar/93 - Conjunto de Ma-nobra e controle de baixa tensão montados emfábrica - CFM

IEC 1641 Enclosed low-voltage Switchgear andControlgear assemblies - Guide for testing underconditions of arcing due to an internal fault

Aerosp. Med. Vol 40, pp 1232-1238, Nov. 1069-Method and rating systems for evaluation ofthermal protection - A.M.Stoll and M.A Chianta