estudo e projeto de um sistema rápido de supressão de arco baseado em tiristores de potência

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA

ELTRICA

Estudo e Projeto de um Sistema Rpido de Supresso de Arco

Baseado em Tiristores de Potncia

por

Claudio Alvares Conceio

DISSERTAO DE MESTRADO

Prof. Braz de Jesus Cardoso Filho

Orientador

Belo Horizonte, Maro de 2015.

Ao meu pai,

em memria

Agradecimentos

Agradeo a Deus por iluminar meus caminhos.

Ao Prof. Braz, pela orientao e confiana.

Ao Prof. Sidelmo, pelo suporte.

Aos amigos, familiares e minha me Donatila, pela fora.

Aos meus filhos Rafaela e Claudinho, pelo apoio e carinho.

E principalmente a minha amada esposa Eugenina, pela tolerncia e incentivo.

Resumo

Arcos eltricos devidos a curtos-circuitos em painis eltricos so fenmenos indesejveis, ocorrendo de forma descontrolada e liberando grandes quantidades de energia sob forma de calor, partculas metlicas ionizadas pela sublimao do cobre, o qual atinge 67.000 vezes o volume slido da barra de cobre. Tambm h liberao de grande quantidade de luz na faixa do ultravioleta e gases txicos pela queima de materiais isolantes internos ao painel. As presses podem atingir algumas centenas ou milhares de kgf, com sons associados podendo atingir valores superiores a 160dB e, por fim, material slido e metal fundido so expelidos a partir da fonte do arco a uma velocidade superior a 1.120km/h. Este trabalho tem como objetivo a realizao de estudos e proposio do projeto para um sistema rpido de supresso de arco, baseado em semicondutor de potncia, sendo sua principal finalidade de se eliminar por completo todos os efeitos indesejveis associados ao curto-circuito a arco em painis eltricos.

Abstract

Arc flashes due to short circuits in electrical panels are undesirable phenomena with uncontrollable nature, releasing a lot of energy as heat, ionized metal particles due to copper sublimation, reaching 67,000 times its solid volume. In addition high energy light in the ultraviolet range is released, along with of toxic gases from the burning internal insulating materials of the panel. Air pressure can reach hundreds or thousands of kgf with associated sounds with intensity greater than 160dB. Finally, solid material and molten metal are expelled from the arc source at speeds higher than 1,120km/h. The work aims the development of studies and the design of an "Active Arc Suppression System", whose main purpose is the complete elimination of the undesirable effects associated with arcs in short-circuited electrical panels.

ndice

1 Introduo.......................................................................................................11 1.1 Introduo......................................................................................................11

1.2 Motivao......................................................................................................12

1.3 Objetivo.........................................................................................................13

1.4 Contribuies.................................................................................................14

1.5 Organizao e Contedo dos Captulos.........................................................14

2 O Arco Eltrico...............................................................................................16 2.1 A Natureza do Arco Eltrico .........................................................................16

2.1.1 Riscos Associados ao Arco Eltrico ...........................................................17

2.1.2 Efeito da Temperatura no Tecido Humano.................................................20

2.1.3 Estatstica de Acidentes com Arco Eltrico ............................................... 21

2.1.4 Fatores que Propiciam o Surgimento do Arco Eltrico ..............................24

2.1.5 Evoluo de um Curto-Circuito Trifsico a Arco em Painis Eltricos.....24

2.2 A Energia Irradiada por um Curto-Circuito Trifsico ...................................28

2.2.1 Mtodo Proposto por Ralph Lee.................................................................28

2.2.2 Mtodo Proposto por Doughty, Neal e Floyd .............................................32

2.2.3 Mtodo Proposto pelo IEEE Std 1584-2004...............................................40

2.3 Tecnologias para Mitigar os Efeitos do Arco-Eltrico ..................................45

2.3.1 Painel Resistente a Arco Eltrico................................................................45

2.3.2 Vestimentas para Trabalhos em Eletricidade..............................................50

2.3.3 Solues de Engenharia para Reduo do Nvel de Energia Irradiado......54

2.4 Tecnologias Disponveis na Aplicao de Supressores de Arco...................63

3 Sistema de Supresso de Arco Baseado em Tiristores de Potncia............75 3.1 Projeto de um Sistema Rpido de Supresso de Arco...................................75

3.1.1 Impedncia de Abafamento do Arco ..........................................................76

3.1.2 A Chave de Estado Slido ..........................................................................79

3.1.3 Sistema de Deteco de Arco Eltrico ........................................................82

3.1.4 Sistema de Proteo, Controle e Comando .................................................89

3.2 Prottipo Conceitual de Bancada...................................................................91

4 Concluso.......................................................................................................100 5 Referncias Bibliogrficas ............................................................................102 Anexos ...............................................................................................................107

ndice de Figuras

Fig. 1 - Natureza direcional geral de um arco eltrico. Fonte......................................... 17 Fig. 2 - Posio dos manequins em relao ao painel......................................................18 Fig. 3 - Exposio dos manequins ao arco eltrico..........................................................19 Fig. 4 - Resultados obtidos atravs dos sensores..............................................................19 Fig. 5 - Relao Tempo x Temperatura para tolerncia do tecido humano......................20 Fig. 6 - Nmero de acidentados com arco eltrico por ano..............................................21 Fig. 7 - Nmero de acidentes por nvel de tenso ............................................................22 Fig. 8 - Acidentes com arco eltrico por instalao..........................................................22 Fig. 9 - Nmero de acidentes com arco eltrico por rea.................................................23 Fig. 10 - Oscilografia de um curto-circuito a arco............................................................25 Fig. 11 - Oscilografia de um curto-circuito a arco............................................................26 Fig. 12 - Oscilografia de um curto-circuito a arco............................................................27 Fig. 13 - Diagrama de Vetores......................................................................................... 29 Fig. 14 - Teste de energia irradiada em ambiente aberto..................................................33 Fig. 15 - Corelao entre falta slida e energia incidente.................................................34 Fig. 16 - Energia incidente padronizada...........................................................................35 Fig. 17 - Teste de energia irradiada em ambiente fechado...............................................37 Fig. 18 - Direcionamento da energia irradiada.................................................................38 Fig. 19 - Corelao entre falta slida e energia incidente.................................................39 Fig. 20 - Energia incidente padronizada...........................................................................39 Fig. 21 - Planilha de calculo do IEEE Std 1584-2004.....................................................44 Fig. 22 - Fases devida elevao de presso e temperatura................................................47 Fig. 23 - Ensaio em um painel eltrico no certificado....................................................47 Fig. 24 - Recomendaes para instalao de painel certificado.......................................49 Fig. 25 - Teste de curto-circuito a arco em um painel de mdia tenso...........................49 Fig. 26 Teste de curto-circuito a arco em um painel com duto de exausto.....................50 Fig. 27 - Transferncia de calor pelo tecido. Fonte..........................................................51 Fig. 28 - Execuo de trabalho com uso de roupa para ATPV de 25cal/cm...................52 Fig. 29 - Aplicao de seletividade lgica........................................................................55 Fig. 30 - Aplicao de seletividade lgica........................................................................55 Fig. 31 Rels de proteo com sensores de luz pontual e regional...................................56 Fig. 32 - Sensor de arco pontual.......................................................................................56

Fig. 33 - Sensor regional...................................................................................................57 Fig. 34 - Oscilografia de um rele de arco.........................................................................57 Fig. 35 - Diagrama unifilar tpico de um CDC.................................................................59 Fig. 36 - Mascara de um rel numrico mostrando os grupos de ajuste...........................60 Fig. 37- Mascara de programao de um rel numrico...................................................60 Fig. 38 - Aplicao de rel numrico para grupo de ajuste..............................................61 Fig. 39 - Curva de presso e fases do arco........................................................................63 Fig. 40 - Presso no painel com atuao do supressor......................................................63 Fig. 41 - Conjunto para supresso de arco UFES.............................................................64 Fig. 42 - Corte do dispositivo UFES.................................................................................64 Fig. 43 - Posio do dispositivo aps acionado................................................................65 Fig. 44 - Ocorrncia de um curto-circuito no barramento................................................66 Fig. 45 - Deteco do curto-circuito a arco pelo rele........................................................66 Fig. 46 - Comando de disparo para o UFES.....................................................................67 Fig. 47 - UFES provocando uma falta slida no sistema..................................................67 Fig. 48 - Disjuntor geral eliminando a falta slida provocada pelo UFES.......................68 Fig. 49 - Modulo de potncia do ARCON........................................................................68 Fig. 50 - Princpio de funcionamento do ARCON...........................................................69 Fig. 51 - Mdulos para identificao, comando e supresso do arco...............................70 Fig. 52 - Dispositivo de potncia do sistema de supresso de arco VAMP.....................70 Fig. 53 - Grfico comparativo entre as correntes de curto-circuito..................................71 Fig. 54 - Cmara de conteno e gerao do arco eltrico secundrio.............................72 Fig. 55 - Tempo de extino do curto-circuito arco primrio e secundrio .....................73 Fig. 56 - Ignio pelo gerador de plasma e componentes aps operao da cmera........73 Fig. 57 - Simulao de curto-circuito a arco.....................................................................76 Fig. 58 - Simulao de um curto-circuito slido..............................................................77 Fig. 59 - Diagrama simplificado do "Sistema Rpido de Supresso de Arco".................77 Fig. 60 - Simulao de um curto-circuito com introduo de impedncia srie...............78 Fig. 61 - Modelo simplificado com introduo da impedncia de abafamento................78 Fig. 62 - SCRs com compartilhamento forado de corrente.............................................79 Fig. 63 - Dispositivos semicondutores de potncia..........................................................81 Fig. 64 - Nmeros de ciclos para uma corrente de 50kA.................................................81 Fig. 65 - Simulao no PTW de um sistema eltrico de potncia....................................83 Fig. 66 - Efeito da saturao do TC (10B100)..................................................................86

Fig. 67 - Efeito da saturao do TC (10B10)....................................................................86 Fig. 68 - Efeito de saturao do TC com classe de exatido 10B100 e 10B10................87 Fig. 69 - Projeto bsico de um sensor de luz e corrente para um rel de arco..................88 Fig. 70 - Sensor de luz pontual.........................................................................................89 Fig. 71 - Diagrama funcional do sistema rpido de supresso de arco.............................90 Fig. 72 - Drive de disparo da chave de estado slido.......................................................90 Fig. 73 - Diagrama eltrico do prottipo conceitual de bancada do sistema rpido de supresso de arco interligado ao sistema eltrico............................................................91 Fig. 74 - Fronteira do sistema eltrico e supressor de surto.............................................91 Fig. 75 - Barramento com ajuste fino para o distanciamento entre os eletrodos..............92 Fig. 76 - Posio do suporte do sensor de arco em relao aos eletrodos........................92 Fig. 77 - Corrente primria e secundria do TC..............................................................93 Fig. 78 - Chave tiristorizada.............................................................................................94 Fig. 79 - Atuao do elemento de sobrecorrente temporizada..........................................95 Fig. 80 - Oscilografia de atuao para o elemento de sobrecorrente temporizado...........95 Fig. 81 - Oscilografia de atuao do elemento instantneo de sobrecorrente...................96 Fig. 82 - Oscilografia da corrente e tenso de arco ..........................................................97 Fig. 83 Diagrama de atuao do supressor de arco..........................................................97 Fig. 84 Oscilografia de atuao do supressor de arco......................................................98 Fig. 85 - Oscilografia da corrente de curto-circuito a arco no barramento e a corrente de curto-circuito conduzida pela chave de estado slido.....................................................99

ndice de Tabelas Tabela 1 - Resultados obtidos de curto-circuito trifsico a arco.................................................33 Tabela 2 - Valores do curto-circuito slido e energia irradiada tirados da tabela 1.....................34 Tabela 3 - Valor da energia irradiada padronizado......................................................................35 Tabela 4 - Resultados obtidos de curto-circuito trifsico a arco..................................................38 Tabela 5 - Categoria de perigo/risco............................................................................................53 Tabela 6 - Tcnicas de reduo do nvel de energia irradiado.....................................................58 Tabela 7 - Comparativo entre solues de engenharia.................................................................62 Tabela 8 - Parmetros folha de dados fabricante. Anexo datasheet.............................................81 Tabela 9 - Dimensionamento do TC............................................................................................84 Tabela 10 - Clculo do burden.....................................................................................................85 Tabela 11 - Planilha de calculo de saturao de TC.....................................................................85

Captulo 1: Introduo 11

1 Introduo Este captulo descreve a motivao, os objetivos gerais e as contribuies do trabalho realizado, bem como a organizao e contedo de cada captulo deste texto.

Introduo

Quando da ocorrncia de um curto-circuito com formao de arco eltrico em

um painel de distribuio, tem-se a perda total ou parcial do mesmo levando a paradas

no programadas da planta industrial e causando srios acidentes aos profissionais da

rea eltrica envolvidos nos processos de manobras e manuteno destes. Os painis de

distribuio possuem nveis de curto-circuito que podem variar de 10 a 100kA, e valores

de atuao da proteo variando de dezenas de milissegundos a segundos. Desta forma,

a energia irradiada quando da ocorrncia de um curto-circuito trifsico a arco pode

atingir valores elevados, podendo no ser possvel resguardar a segurana do

trabalhador por falta de equipamentos de segurana individual e coletivo eficaz [1].

O setor eltrico brasileiro tem seu levantamento estatstico de acidentes

envolvendo arco eltrico desde 1996 onde em 2010 ocorreram 20 acidentes envolvendo

trabalhadores do setor eltrico[2].

No h registro estatstico de acidentes na indstria brasileira envolvendo

queimaduras por arco-eltrico. Fontes estrangeiras confirmam que na indstria h muito

mais ocorrncias de acidentes [3]. Na Inglaterra, pas com 49 milhes de habitantes

ocorrem cerca de 1.000 acidentes por ano com 25 mortes. Nos Estados Unidos da

Amrica, pas com 303 milhes de habitantes ocorrem cerca de 2.000 acidentes por ano

com 400 mortes [4]. O Brasil com uma populao em torno de 191 milhes de

habitantes [5], possui um nmero significativamente maior de trabalhadores na indstria

quando comparado ao setor eltrico de gerao, transmisso e distribuio.

A indstria, devido s caractersticas das cargas, contm um grande nmero de

painis eltrico de distribuio no interior das subestaes. Estatsticas mostram que os

acidentes no setor eltrico brasileiro no interior de subestaes o local com o terceiro

maior ndice de acidentes envolvendo queimaduras por irradiao devido a curto-

circuito a arco [2]. Os acidentes na indstria nacional esto relacionados s atividades

de manuteno e operao nos Centros de Distribuio de Cargas (CDCs) e Centro de

Controle de Motores (CCMs) [42]. A intensidade da energia irradiada est diretamente


ligada ao nvel de curto-circuito dos painis de distribuio, sendo este nvel de curto-

circuito maior em painis de distribuio de baixa tenso.

As normas tcnicas para construo de painis eltricos esto mais rigorosas com relao sua capacidade de resistir aos esforos dinmicos do arco eltrico, enclausurando a energia irradiada e direcionando os gases oriundos da expanso. O painel compartimentando de forma a segregar a regio de curto-circuito diminuindo a dimenso do dano ao painel [6, 7, 8].

Com relao segurana pessoal, foi dado ao trabalhador EPI (Equipamentos de

Proteo Individual), vestimentas com categoria de risco de acordo com os nveis de

energia irradiada no instante de um curto-circuito a arco. Estes EPIs minimizam o risco,

mas no o eliminam, isto , garantem que o trabalhador ter no mximo uma

queimadura de segundo grau quando exposto a energia irradiada de acordo com a

categoria de risco calculada para o seu EPI [1].

O Ministrio de Trabalho considera em suas prerrogativas que o EPI no

constitui uma proteo efetiva, sendo uma das barreiras para se evitar ou atenuar a

leso, medidas de proteo coletivas e administrativas devem ser tomadas por parte do

empregador para a mitigao do risco. A utilizao do EPI deve ser a ltima alternativa

a ser empregada, mesmo considerando a necessidade de seu uso [9].

Apesar dos avanos tecnolgicos que vm ocorrendo ao longo dos anos, a

tecnologia de aplicao atual no atende a todos os requisitos de segurana e

continuidade operacional, mostrando-se oportunidades para o desenvolvimento

tecnolgico e contribuies cientficas.

1. 2 Motivao

Ao longo dos anos at os dias atuais muito tem sido feito no desenvolvimento de tecnologias para reduzir o grau de exposio s energias irradiadas a qual os trabalhadores do sistema eltrico esto expostos durante um curto-circuito trifsico. Porm, alm da energia irradiada no curto-circuito, h outros fatores de riscos que o trabalhador est exposto, iguais ou maiores que o risco de queimaduras pela irradiao trmica gerada quando da ocorrncia do curto-circuito a arco. Apesar de que a comunidade internacional ter cincia destes outros riscos, no houve uma evoluo tecnolgica significativa para um tratamento abrangente da eliminao dos riscos causados pelo arco eltrico. A normalizao estrangeira e internacional [1, 6, 7, 8, 10,


11, 12, 13, 14, 15] vem ao encontro da aplicabilidade do desenvolvimento tecnolgico hoje existente, especificando procedimentos para ensaios de equipamentos resistentes a arco eltrico, mtodos para ensaios de tecidos e procedimentos para especificao de uniformes adequado ao nvel de energia irradiada.

Ao longo dos ltimos anos, os principais fruns internacionais de discusso para os assuntos relacionados segurana no trabalho para os efeitos danosos do arco eltrico como: IEEE IAS Electrical Safety Workshop, IEEE IAS Petroleum and Chemical Industry, trouxeram contribuies no que tange tecnologia de

equipamentos para enclausuramento do arco eltrico, painis resistentes a arco,

procedimento de engenharia como aplicao de seletividade lgica, grupo de ajuste e

equipamentos como rels de arco. Todos estes estudos esto relacionados diretamente

ao controle da energia irradiada.

A principal motivao para o estudo e projeto de um Sistema Rpido de Supresso de Arco Baseado em Tiristores de Potncia est relacionada lacuna existente no que diz respeito oportunidade para desenvolvimento cientfico e tecnolgico de uma soluo para eliminao por completo dos efeitos danosos do arco eltrico.

1. 3 Objetivo

O objetivo proposto o estudo e projeto de tecnologia, baseada em eletrnica de

potncia, para impossibilitar a formao dos arcos eltricos e seus feitos danosos

quando da ocorrncia de um curto-circuito a arco em painis eltricos de distribuio,

responsveis pela alimentao eltrica das cargas industriais. O Sistema Rpido de Supresso de Arco Baseado em Tiristores de Potncia no evita o curto circuito onde sua ocorrncia pode ter como origem vrios fatores que sero discutidos em captulo posterior, porm as principais consequncias do curto circuito a arco que so: altas energias trmicas irradiadas, projeo de material, vapores metlicos oriundos da sublimao do cobre, gases txicos devido queima de materiais internos ao painel, entre outros, sero eliminadas por completo.

No escopo deste trabalho inclui-se a realizao de estudos, projeto e a

implementao de um arranjo de pequena escala. Uma das grandes vantagens do

sistema proposto a possibilidade de aplicao do Sistema Rpido de Supresso de

Arco Baseado em Tiristores de Potncia em painis de distribuio novos ou os


existentes em operao, sem que haja a necessidade dos mesmos serem resistente ao

arco-eltrico.

1. 4 Contribuies

Como principais contribuies geradas pelo estudo e projeto do Sistema Rpido de Supresso de Arco Baseado em Tiristor de Potncia tem-se:

Desenvolvimento de tecnologias complementares aos estudos j realizados a nvel mundial com o intuito de se eliminar por completo os efeitos danosos do curto-circuito com arco.

Avaliao de tecnologias de tiristores de potncia com caractersticas especficas de operao e dos dispositivos de disparo.

Projeto e implementao do Sistema Rpido de Supresso de Arco Baseado em Tiristores de Potncia de pequena escala.

Anlise de saturao no uso de TCs de proteo para o sistema rpido de supresso de arco.

1. 5 Organizao e Contedo dos Captulos

Captulo 1

Introduo.

Este captulo descreve a motivao, metodologia, os objetivos gerais e as

contribuies do trabalho executado, bem como a organizao e contedo de cada

captulo.

Captulo 2

O Arco Eltrico

Este captulo realiza uma reviso bibliogrfica sobre o arco eltrico e suas

principais fontes de ignio, descreve o histrico da evoluo dos estudos no controle da

energia irradiada devido ao curto-circuito em painis de distribuio de energia eltrica,

bem como uma viso a respeito da segurana de pessoas e as principais tecnologias hoje

aplicadas e suas limitaes, considerando a dimenso de dano ao painel de distribuio,

perda de produo e segurana.


Captulo 3

Sistema Rpido de Supresso de Arco Baseado em Tiristores de

Potncia.

Este captulo apresenta o estudo de projeto para um Sistema Rpido de

Supresso de Arco. Ser montado um modelo conceitual de bancada com o intuito de

demonstrao da aplicao.

Captulo 4

Concluso

Este captulo apresenta as concluses e as propostas de continuidade para o

estudo e desenvolvimento de um "Sistema Rpido de Supresso de Arco Baseado em

Tiristores de Potncia" em escala industrial.

Captulo 5

Referncias Bibliografia

Captulo 2: O Arco Eltrico 16

2 O Arco Eltrico Este captulo realiza uma reviso bibliogrfica sobre o arco eltrico e suas

principais fontes de ignio, descreve o histrico da evoluo dos estudos no controle da energia irradiada devido ao curto-circuito em painis de distribuio de energia eltrica, bem como uma viso a respeito segurana de pessoas e as principais tecnologias hoje aplicadas e suas limitaes, considerando a dimenso de dano ao painel de distribuio, perda de produo e segurana.

2.1 Natureza do Arco Eltrico

O arco eltrico caracterizado por uma coluna de gs ionizado com

caractersticas substancialmente resistivas, estas caractersticas confere ao arco eltrico

um fator de potncia unitrio [16]. O arco eltrico considerado o quarto estado da

matria, o plasma, o mesmo pode atingir temperaturas em torno de 20.000C,

correspondendo a 4 vezes a temperatura da superfcie do Sol [16].

O arco eltrico possui uma resistncia extremamente alta quando comparado

resistividade de uma barra de cobre, provocando uma queda de tenso entre 30 a 40

V/cm. Em circuitos com tenso de 277/480V, o arco poder provocar no sistema

eltrico afundamentos de tenso significativos e ser justamente a diferena entre a

tenso da fonte e a queda de tenso no arco, que forar a corrente de falta pela

impedncia total do sistema eltrico. Esta a razo para a estabilizao do arco para

circuitos com tenso de 277/480 quando o comprimento do arco da ordem de 10cm

[16,15].

Em um arco de natureza direcional, as altas correntes que fluem da fonte na

direo oposta em condutores paralelos (barramentos) do origem a foras magnticas

que impulsionam o arco para longe da fonte, percorrendo todo o barramento at atingir

o final do mesmo, potencializando seus efeitos neste ponto [21].

De acordo com Lan e Neal [21] o comportamento de uma falha a arco trifsica

em um equipamento eltrico catica, envolvendo alteraes rpidas e irregulares na

geometria do arco eltrico devido a conveces, jatos de plasma e foras magnticas. A

extino do arco e sua reignio, as mudanas na trajetria do arco devido s correntes

transitrias de retorno e muitos outros efeitos adicionais natureza catica do arco

eltrico, tornam muito difceis a criao de equaes e modelos precisos para


determinao de suas propriedades. Apesar de no capturar o comportamento catico do

arco eltrico, a figura 1 demonstra um arco eltrico de natureza direcional.

Figura 1 - Natureza direcional geral de um arco eltrico. Adaptado de [21].

As correntes alternadas das trs fases criam foras magnticas de atrao e

repulso, movendo de forma drstica os jatos de plasma que, por sua vez, alimentam

uma nuvem de plasma em expanso. A nuvem em expanso conduzida para fora do

barramento, criando uma nuvem de poeira de plasma. Como as molculas altamente

energizadas do plasma esfriam, elas acabam se recombinando com outros materiais. O

material ejetado inclui partes derretidas do barramento que do origem a chuva de

material derretido [21].

2.1.1 Riscos Associados ao Arco Eltrico

O fluxo de corrente pelo ar formado pelo arco eltrico libera grandes

quantidades de energia sob a forma de calor e presso. Em aplicaes controladas tais

como solda e fornos a arco, o arco eltrico uma ocorrncia desejvel devido sua

aplicabilidade na indstria. J o arco eltrico devido a curtos-circuitos trifsicos em

painis eltricos, um fenmeno indesejvel, ocorre de forma descontrolada liberando


grandes quantidades de energia sob forma de calor, partculas metlicas ionizadas pela

sublimao do cobre (qual chega a 67.000 vezes o volume slido do mesmo), grande

quantidade de luz na faixa do ultravioleta, gases txicos pela queima de materiais

isolantes internos ao painel. Presses que podem atingir valores extremamente elevados

de kgf/cm, com sons associados a estas presses que podem atingir valores superiores a

160dB. Por fim, material slido e metal fundido so expelidos a partir do arco a uma

velocidade superior a 1120km/h [17, 22].

Atualmente, as normas no tratam dos riscos associados exploso oriunda de

um curto-circuito a arco. Para as consequncias geradas pelo arco eltrico, no h

equipamentos de segurana pessoal que garantam a integridade do trabalhador, sendo

este fenmeno um dos fatores de contribuio significativa para acidentes de grandes

propores no setor eltrico e na indstria [22].

Ao longo dos anos, extensivos testes vm sendo realizados para equacionar e dimensionar os danos provocados ao trabalhador quando exposto aos efeitos danosos provocados pelo arco eltrico em painis de distribuio. No artigo publicado por Crnko e Dyrnes [26], so realizados ensaios em manequins com sensores apropriados para determinao de danos por queimaduras incurveis, perda de audio, danos aos pulmes e fraturas. O teste realizado em um painel de distribuio trifsico (CCM) de 480V com corrente de curto-circuito simtrica de 22,6kA, o sistema de proteo est ajustada para interromper o arco eltrico em 6 ciclos (100ms) [26]. Dois manequins so posicionados de tal forma que um fica prximo ao painel, simulando o trabalhador que est realizando a manuteno, e o segundo, a uma distncia maior, simulando o trabalhador que est acompanhando a execuo dos servios. A figura 2 abaixo ilustra a posio dos manequins em relao ao painel [26].

Figura 2 - posio dos manequins em relao ao painel. Fonte [26].


O teste foi realizado e atravs dos sensores posicionados nos manequins foi possvel quantificar o dano que um arco eltrico, nas condies especficas de ensaios citadas, poder causar ao trabalhador. A figura 3 mostra a foto no instante em que realizado o teste. Pode ser observado que o manequim prximo ao painel est totalmente envolvido nos efeitos danosos do arco eltrico.

Figura 3 - Exposio dos manequins ao arco eltrico. Fonte [26].

A figura 4 mostra os resultados obtidos pelos sensores instalados no manequim prximo ao painel.

Figura 4 - Resultados obtidos atravs dos sensores. Adaptado de [26].

Pelos resultados obtidos, um trabalhador nas mesmas condies de exposio, teria queimaduras incurveis na face, pescoo e mos, possvel dano ao tmpano podendo levar a surdez e presso sobre o peito que poderia atingir valores superiores a 600 kg, podendo acarretar dano severo a rgos internos principalmente os pulmes [26].


2.1.2 Efeito da Temperatura no Tecido Humano

De acordo com Ralph Lee [16] o ser humano pode existir apenas em uma

relativa faixa estreita de temperatura normal do sangue, 36,5C. Para temperaturas

abaixo deste valor, requerido isolamento trmico, que pode ser realizado atravs da

utilizao de agasalhos. Para temperaturas ligeiramente acima deste valor, a

compensao realizada atravs da transpirao. Para temperaturas em torno de 44C o

mecanismo de equilbrio de temperatura corporal comea a falir em torno de 6 horas,

para tempo superior a este, poder ocorrer dano celular. Para temperaturas entre 44C e

51C a taxa de destruio das clulas dobra para cada 1C de aumento da temperatura.

Na temperatura de 70C necessrio apenas 1 segundo de exposio para causar

destruio total da clula. A temperatura da pele humana est em torno de 2,5C abaixo

da temperatura do sangue, ou seja, a temperatura da pele de aproximadamente 34C, e

basta uma elevao de 62C com tempo de exposio de 0,1 segundos para que haja a

morte celular. Na figura 5, a curva superior, apresenta a curva tempo-temperatura para

uma queimadura incurvel, a curva inferior, apresenta a curva tempo-temperatura para

uma queimadura curvel [16].

Figura 5 - Relao Tempo x Temperatura para tolerncia do tecido humano.

Fonte [16].


2.1.3 Estatstica de Acidentes com Arco Eltrico

De acordo com os estudos estatsticos publicados pela fundao COGE [20]

(Fundao Comit de Gesto Empresarial), so divulgados anualmente os Relatrios de

Estatsticas de Acidentes no Setor Eltrico Brasileiro. O ltimo relatrio divulgado pela

Fundao refere-se s estatsticas do ano de 2010.

Na figura 6 apresentada pela COGE a estatstica de acidentados com arco

eltrico ocorridos no setor eltrico brasileiro nos ltimos anos.

Figura 6 - Nmero de acidentados com arco eltrico por ano. Fonte [20].

Na figura 7 apresentada pela COGE a relao de nmeros de acidentes

envolvendo arco eltrico por nvel de tenso de trabalho. A baixa tenso, a

responsvel pelo maior nmero de ocorrncia de acidentes envolvendo queimaduras a

arco eltrico.


Figura 7 - Nmero de acidentes por nvel de tenso. Fonte [20].


envolvendo arco eltrico por instalao.

Figura 8 - Acidentes com arco eltrico por instalao. Fonte [20].



envolvendo arco eltrico por rea operacional.

Figura 9 - Nmero de acidentes com arco eltrico por rea. Fonte [20].

O setor eltrico brasileiro tem uma pequena parcela de contribuio para os

acidentes envolvendo arco eltrico quando comparado com o vasto campo de aplicao

da eletricidade. A falta de informao sobre acidentes envolvendo eletricidade,

originados por arco eltrico, nos setores da indstria, comercio e construo civil, no

permite se ter conhecimento da totalidade dos acidentes envolvendo o arco eltrico no

Brasil.

De acordo com [43] 80% de todas as leses envolvendo eletricidade so

causadas por arco eltrico, e estas esto baseadas em levantamentos realizados por:

NFPA e IEEE 1992-2002, mais de 2.000 trabalhadores por ano, ou mais de 5

trabalhadores por dia foram vitimas de um arco eltrico

Electricit de France, 21% dos acidentes eltricos por arco eltrico tiveram

leses permanentes.

Electrical Safety Foundation International, a cada 30 minutos durante a

jornada de trabalho, um trabalhador afastado por sofrer uma leso


envolvendo eletricidade. Ao longo dos ltimos 10 anos foram mais de

46.000 trabalhadores acidentados.

OSHA, 80% dos acidentes fatais envolvendo o arco eltrico, ocorrem com

profissionais qualificados. Nos EUA entre 2007 e 2011, foram aplicadas

mais de 2.880 multas por no cumprimento do regulamento OSHA

1910.132(d), no que diz respeito ao atendimento as recomendaes de

segurana dos trabalhadores frente aos riscos do arco eltrico.

2.1.4 Fatores que Propiciam o Surgimento do Arco Eltrico

Os principais fatores contribuintes para a ocorrncia do curto-circuito a arco em

painis de distribuio so [42]:

A falha na isolao entre fase-fase e fase-terra devido perda progressiva da

resistncia de isolamento causada por descargas parciais em isoladores e

acumulo de poeira, que tem como consequncia diminuio da resistncia

superficial.

Sobretenses transitrias devido a surtos de manobra diminuindo a isolao

gasosa.

Aquecimento com micro descargas, provocando a ionizao do ambiente

devido ao aumento da resistncia de contato entre conexes eltricas.

Intervenes inadequadas de manuteno e operao, sendo esta, uma das

principais causas de acidentes na indstria e no setor eltrico.

2.1.5 Evoluo de um Curto-Circuito Trifsico a Arco em Painis

Eltricos

Nos painis eltricos de distribuio, 80% das ocorrncias de curto-circuito so

devidas a falha na isolao slida ou gasosa envolvendo condutor fase-terra [19]. Na

ocorrncia de uma falta monofsica no interior de um painel de distribuio, h uma

ionizao do ambiente propiciando o fechamento de um curto-circuito trifsico.

A evoluo de um curto-circuito trifsico a arco no interior de um painel de

distribuio se d em poucos ciclos aps a ocorrncia da falta monofsica. A

transformao de uma falta monofsica para uma falta trifsica potencializa os efeitos

trmicos e dinmicos do arco eltrico.


Nas figuras 10, 11 e 12, so apresentadas oscilografias de uma ocorrncia real de

uma falta inicialmente monofsica, em um painel eltrico de distribuio de 13,8kV,

evoluindo em seguida para uma falta trifsica.

Na figura 10 apresentado uma oscilografa com foco nos momentos iniciais de

um curto-circuito monofsico envolvendo a fase "C" do barramento de um painel de

distribuio eltrico e um ponto de baixa isolao terra em evoluo. A corrente

inicial de fuga entre a fase "C" e o ponto de baixa isolao terra inicialmente de

0,923A. A fuga a terra foi aumentando sua amplitude, o arco formado pela falta

monofsica envolvendo a fase "C" foi ionizando o ar no interior do cubculo do painel

at o ponto onde a houve a evoluo do curto-circuito envolvendo outras fases. O tempo

transcorrido entre o instante de inicio da falta monofsica e a evoluo do curto-circuito

a arco envolvendo outras fases foi de 39,4ms (2,36 ciclos).

Figura 10 - Oscilografia de um curto-circuito a arco, iniciada por uma falta

monofsica a terra.

Transcorrido 39,4ms aps iniciada a falta envolvendo a fase C" e um ponto de

baixa isolao referenciado a terra, a corrente de fuga se encontrava em 217,97A.

Tempo (ms)

Icc monofsico fase C


observado, neste instante, uma evoluo de um curto-circuito bifsico envolvendo as

fases "B" e "C", onde pode ser visto no grfico da figura 11, um defasamento angular de

180 entre as fases "B" e "C", caracterizando um curto-circuito bifsico. Em

aproximadamente 4ms (1/4 de ciclo) aps iniciado do curto-circuito bifsico, o mesmo

evolui para um curto-circuito trifsico envolvendo as 3 fases do barramento do painel de

distribuio eltrico. A intensidade do curto-circuito trifsico foi de 11 kA, valor eficaz,

tendo o mesmo atingido um valor de pico de 16,31kA.


monofsica a terra.

A figura 12 representa a mesma ocorrncia de curto-circuito analisada acima,

porm, mostrando as correntes de forma individualizadas e escalas distintas entre as

correntes de fase (kA) e corrente de neutro (A). Como analisado acima, inicia-se uma

fuga a terra representada pela corrente "IN", e passado aproximadamente 2,5 ciclos h

uma evoluo para um curto circuito trifsico.

O curto-circuito trifsico provoca a extino do curto-circuito monofsico,

prevalecendo o trifsico, sendo a funo de proteo de sobrecorrente temporizada de

fase a responsvel por isolar a falta.

Icc monofsico fase C Icc trifsico



monofsica a terra.

A ocorrncia de um curto-circuito a arco eltrico um evento no desejvel e

traz importantes consequncias financeiras, devido destruio parcial ou total do

painel com perda de produo, e acidentes graves podendo levar trabalhadores a bito.

Os efeitos indesejveis do arco eltrico teve um tratamento extensivo na

produo de literatura tcnica ao longo dos ltimos 20 anos [22] e de acordo com

Mohal, Driscoll e Hamer [22], a maioria das internaes em hospitis em decorrncia de

acidentes eltricos devido queimadura por arco eltrico. Todos os anos mais de

2.000 pessoas do entrada em hospitais com graves queimaduras por arco eltrico.

Nos ltimos anos houve uma evoluo significativa na produo de

procedimentos, normas e equipamentos no intuito de minimizar os efeitos danosos de

um curto-circuito a arco. Porm, ainda h necessidade de se trabalhar solues para

minimizar ainda mais ou at mesmo eliminar os riscos s pessoas e patrimnio quando

expostos ao evento de um curto-circuito a arco em painis eltricos de distribuio.


2.2 A Energia Irradiada por um Curto-Circuito Trifsico

2.2.1 Mtodo Proposto por Ralph Lee

Em 1982 foi publicado o artigo por Ralph H. Lee intitulado "The other electrical

hazard: electrical arc blast burns" [16], o que seria considerado a primeira contribuio

significativa na pesquisa para avaliar os riscos e perigos associados com a energia

irradiada devido a curtos-circuitos trifsicos a arco em ambientes abertos em instalaes

acima de 600V. Este trabalho descreve os eventos associados com o arco eltrico bem

como os seus efeitos no corpo humano. Em seu artigo, definiu-se que a energia irradiada

de 1.2cal/cm (5J/cm) o limite de energia incidente no corpo humano que provoca

queimaduras curveis (limite de energia incidente no corpo humano com probabilidade

de 50% de provocar queimaduras de 2 grau [13]), que ainda utilizada at os dias

atuais nos clculos para determinar a distncia segura de trabalho para uma energia

irradiada devido a curto-circuito trifsico [16].

Ralph Lee no realizou testes experimentais para investigar a relao entre a

energia irradiada no curto-circuito trifsico real e a energia irradiada calculada seguindo

seu modelo matemtico. Desta forma ele concluiu que os clculos deveriam ser

conservadores e se basear nas condies dos sistemas onde se teria a mxima energia

irradiada.

Em uma falta slida, no h arco, de forma que pouco calor gerado, e a

corrente total do sistema est sendo limitada somente pela impedncia da fonte. Na

ocorrncia de falta a arco, a corrente do sistema estar limitada pela impedncia da

fonte mais a impedncia do arco. A impedncia do arco tem uma relao direta com a

tenso de arco, ou seja, quanto maior for a tenso de arco menor ser a corrente de falta

do sistema. Esta relao pode ser observada na figura 13, onde mostrado o diagrama

de vetores das correntes e tenses, nele possvel observar a variao da corrente do

sistema medida que o comprimento de arco varia [16].

A figura 13 mostra o diagrama de fasores proposto por Ralph Lee. A energia

total no arco a integral do produto de e , sendo este, zero para falta slida,

aprecivel para condio de e , substancial para condio e , e voltando a

diminuir em e quando se tem uma diminuio significativa de devido ao

aumento de . Na condio dos vetores e , observado que a queda de tenso

na impedncia da fonte igual queda de tenso na impedncia de arco, sendo que

esta defasado 45% de (tenso do sistema), desta forma, representa 70,7% da


tenso do sistema e 70,7% de (corrente de falta slida), j que esto defasados de

45.

Figura 13 - Diagrama de fasores com o lugar geomtrico das quedas de tenso de um

sistema para diferentes comprimentos do arco. Fonte [16].

O produto de por representa o ponto de maior concentrao de energia

irradiada em um curto circuito a arco, sendo 0,5 vezes a capacidade em kVA mxima da

falta slida do sistema no ponto considerado. Haver arcos com nveis de energia mais

baixos, porm, no h nenhuma maneira de prev-los [16]. A maior potncia dissipada

pelo o estudo acima :

Mxima potncia dissipada em um curto-circuito a arco.

(1)

Onde:

[W].

[V].

[A].


Desta ultima, Ralph Lee, chegou a seguinte equao para a energia irradiada:

A mxima energia irradiada em um curto-circuito a arco :

(2)

Onde:

[J/cm].

[kV].

[kA].

[s].

[mm].

Baseado na relao "tempo x temperatura de tolerncia do tecido humano,

mostrada na figura 5, verifica-se que uma elevao de temperatura do tecido humano

em 46C com um tempo de exposio de 100 ms, o limite para uma queimadura

curvel, e uma elevao de 62C com o mesmo tempo de exposio, o limite para uma

queimadura incurvel. Baseado nesta relao, [16] props duas equaes para

determinao da distncia de trabalho em relao fonte de arco eltrico, a equao (3)

determina a distncia de trabalho em relao fonte do arco eltrico, onde a irradiao

da mesma provocar apenas queimaduras curveis, e a equao (4) determina a

distncia de trabalho para queimaduras incurveis.

Distncia de trabalho para uma queimadura curvel.

(3)

Onde:

.

[MVA].

[s].


Distncia de trabalho para uma queimadura incurvel.

(4)

Onde:

(MVA)

(s)

A ttulo de exemplo, aplicando-se as equaes de Ralph Lee em um circuito

eltrico com tenso de 768V, corrente de curto-circuito slido de 50,39kA e tempo de

extino do arco de 6 ciclos. A energia irradiada em um corpo de prova a uma distncia

de 588mm, e a distncia segura para uma queimadura curvel ser:

Energia Irradiada

ou

Distncia segura de aproximao para uma queimadura curvel

ou


2.2.2 Mtodo Proposto por Doughty, Neal e Floyd

O terceiro artigo publicado, de uma srie, denominado "Predicting Incident Energy to Better Manage the Electric Arc Hazard on 600V Power Distribution Systems" [23], refora a compreenso bsica dos fenmenos do arco eltrico e apresenta

resultados prticos de medies de nveis de energia incidente devido a curtos-circuitos

em sistemas eltricos trifsicos de 600V em reas abertas, e em caixa metlica de

dimenses padronizadas. Determinando a energia irradiada atravs de sensores alocados

a uma distncia pr-estabelecida, os autores conseguiram refinar os clculos da energia

incidente devido a um curto-circuito trifsico, sendo uma das contribuies mais

significativas, aps a publicao das equaes sugeridas por Ralph Lee [23].

Para o ensaio da energia irradiada devido a um curto-circuito trifsico em um

ambiente aberto, foi montada uma estrutura de trs eletrodos espaados de 31,75mm e

presos entre si por uma estrutura isolante, com o intuito de evitar o movimento dos

eletrodos devido s foras magnticas que atuam nos mesmos com a circulao da

corrente de curto-circuito, um fio fino de cobre foi colocado entre os trs eletrodos para

funcionar como fusvel e iniciar o processo do curto-circuito trifsico a arco, a medio

de energia irradiada foi realizada por 7 calormetros de cobre. Os dados de elevao de

temperatura foram convertidos em energia incidente em cal/cm com um fator de

converso de 0,135cal/cm por 1C [23]. A figura 14, ilustra o procedimento de ensaio

realizado para o curto-circuito trifsico em ambiente aberto considerando uma tenso de

circuito aberto de 600V ou superior, corrente de curto-circuito slido medida nos

terminais dos eletrodos e tempo de ensaio de 100ms.


Figura 14 - Teste de energia irradiada em ambiente aberto. Fonte [23].

A tabela 1 ilustra os resultados obtidos dos ensaios de energia irradiada devido a

um curto-circuito trifsico em ambiente aberto em um sistema de 600V e distncia entre

barramentos de 31,75mm [23].

Tabela 1 - Resultados obtidos de curto-circuito trifsico a arco. Adaptado de [23].

Com os resultados obtidos nos testes experimentais mostrados na tabela 1 os

autores obtiveram varias correlaes. Duas delas ir permitir calcular a energia irradiada

em um curto-circuito trifsico a arco eltrico em ambiente aberto. A primeira relao

Local

Distancia do sensor em relao aos

eletrodos (mm)

Tenso de Circuito Aberto

(V)

Corrente de Falta Slida

(kA)

Tenso Mdia de arco Fase-

Fase (V)

Corrente Mdia de Arco entre

Fases (kA)

Potncia Mdia Aproximada de

Arco (kW)

Indicao Mdia da Energia Irradiada em em 6 Ciclos (cal/cm)

Indicao Mxima da Energia

Irradiada em em 6 Ciclos (cal/cm)

Arco no Ar 588 768 50,39 528,9 34,88 23061 3,71 4,63

Arco no Ar 588 687 45,36 465,8 30,15 16386 2,98 3,87

Arco no Ar 588 614 40,92 471,6 24,08 13583 2,46 2,96

Arco no Ar 588 616 35,29 461,2 22,3 12179 2,31 2,52

Arco no Ar 588 623 31,16 432,6 20,99 10902 2,05 2,3

Arco no Ar 588 617 27,66 439,2 18,74 10046 1,8 1,97

Arco no Ar 588 614 23,41 442,8 16,44 9204 1,49 1,78

Arco no Ar 588 615 19,08 443,1 13,27 7018 1,1 1,25

Arco no Ar 588 616 16,3 454,2 11,58 6193 0,94 1,1

Arco no Ar 441 614 40,92 449,5 25,47 13509 4,63 5,52

Arco no Ar 762 614 40,92 445,4 25,44 13735 1,86 2,04


pode ser observada na tabela 2, onde so relacionadas s energias incidentes mdia e

mxima em relao o valor do curto-circuito slido.

Tabela 2 - Valores do curto-circuito slido e energia irradiada tirados da tabela 1.

A correlao dos valores da tabela 2 mostrada na figura 15, onde o eixo "x"

representa corrente de falta slida, e o eixo "y" as energias incidentes mdias e

mximas.

Figura 15 - Corelao entre falta slida e energia incidente. Adapto de [23].

A partir da interpolao dos valores das energias mdias e mximas obtidas a

partir dos dados de curto-circuito slido da tabela 2 em relao a corrente de falta

slida, obtida curva que representada a seguinte equao [23]:

Corrente de Falta Slida (kA)

Indicao Mdia da Energia Irradiada em em

6 Ciclos (cal/cm)

Indicao Mxima da Energia Irradiada em em 6

Ciclos (cal/cm)

50,39 3,71 4,63

45,36 2,98 3,87

40,92 2,46 2,96

35,29 2,31 2,52

31,16 2,05 2,3

27,66 1,8 1,97

23,41 1,49 1,78

19,08 1,1 1,25

16,3 0,94 1,1


(5)

A segunda correlao pode ser observada na tabela 3, onde relacionado o valor

da energia irradiada padronizada para uma distncia de 24 polegadas em relao ao

corpo de prova (calormetro).

Tabela 3 - Valor da energia irradiada padronizado. Adaptado de [23].

A partir dos dados da tabela 3, obtido o grfico da figura 16, que apresenta a

interpolao da curva da energia incidente padronizada em relao distncia do corpo

de prova.

Figura 16 - Energia incidente padronizada. Adaptada de [23].

A equao da curva da energia incidente padronizada em relao distncia do

corpo de prova (calormetro) dada por [23]:

(6)

Distancia do sensor em relao aos eletrodos (in)

Valor por unidade de energia incidente

padronizado para 24 polegadas

30 0,76

24 1

18 1,88


A mxima energia irradiada em um sistema eltrico trifsico de 600V em rea

aberta, considerando a distncia entre os barramentos de 31,75cm e um curto-circuito a

arco com tempo de durao de 6 ciclos, pode ser estimada multiplicando as equaes 5

e 6 [23]. A equao abaixo representa a mxima energia irradiada de acordo com as

condies de teste apresentados na tabela 1:

(7)

Onde:

= Mxima energia irradiada [cal/cm].

= Distncia do barramento ao ponto de prova [in].

= Falta trifsica slida [kA].

Paro o ensaio da energia irradiada devido a um curto circuito trifsico em um

ambiente parcialmente fechado [23], representado por uma caixa metlica de dimenses

de 50,8cm de largura por 50,8cm de altura por 50,8cm de profundidade, foram

montados os eletrodos no fundo da caixa com distanciamento de 31,75mm. Os 7

calormetros montados no frontal da caixa para determinar a energia irradiada, tem as

mesmas especificaes do ensaio em ambiente aberto. A figura 17, ilustra o

procedimento de ensaio realizado para o curto-circuito trifsico em ambiente fechado

considerando uma tenso de circuito aberto de 600V ou superior, corrente de curto-

circuito slido medida nos terminais dos eletrodos e tempo de ensaio de 100ms.

Foram realizados dois grupos de ensaios para a determinao da energia

irradiada para o curto-circuito trifsico no interior de uma caixa metlica parcialmente

fechada. O primeiro grupo de testes foram realizados com a caixa metlica ligada ao

potencial de terra e o segundo grupo de testes com a caixa sem ligao ao potencial de

terra [24]. Foi verificado que a energia irradiada maior quando a caixa metlica que

envolve os eletrodos no esta aterrada. Desta forma os resultados apresentados na tabela

4 representam a energia irradiada devido a um curto-circuito trifsico no interior de uma

cuba metlica no aterrada.


Figura 17 - Teste de energia irradiada em ambiente fechado. Adaptado de [23].

Os calormetros indicam uma energia irradiada devido a um curto-circuito

trifsico no interior da cuba metlica, 3 vezes superiores energia irradiada em

ambiente aberto nas mesmas condies de teste. O aumento substancial da presso

interna cuba metlica devido ao curto-circuito trifsico a arco, fora uma concentrao

de energia irradiada e vapores quentes (figura 1, natureza direcional do arco) para a

parte frontal da caixa metlica, concentrando uma maior quantidade de calor neste

ponto [23]. Na figura 18 pode ser observada uma sequncia cronolgica do

direcionamento dos vapores quentes e energia irradiada, oriundos do curto-circuito

trifsico a arco, para a abertura da caixa metlica direcionando a maior parte do calor

gerado no evento para os calormetros montados na parte frontal da caixa metlica [25].


Tabela 4 - Resultados obtidos de curto-circuito trifsico a arco. Adaptado [23].

Figura 18 - Direcionamento da energia irradiada. Fonte [25].

Local

Distncia do sensor em relao aos

eletrodos (mm)

Tenso de Circuito Aberto

(V)

Corrente de Falta Slida

(kA)

Tenso Mdia de arco Fase-

Fase (V)

Corrente Mdia de Arco entre

Fases (kA)

Potncia Mdia Aproximada de

Arco (kW)

Indicao Mdia da Energia Irradiada em em 6 Ciclos (cal/cm)

Indicao Mxima da Energia

Irradiada em em 6 Ciclos (cal/cm)

Arco Caixa 588 759 51,19 375 41,15 17578 9,4 12,46

Arco Caixa 588 680 46,05 343,4 36,33 14375 7,41 9,85

Arco Caixa 588 612 41,99 340,3 31,59 12664 5,16 8,01

Arco Caixa 588 618 36,25 350,5 27,31 11222 3,76 5,4

Arco Caixa 588 613 31,2 329,7 24,92 9709 2,97 4,01

Arco Caixa 588 617 27,66 327,7 21,9 8442 2,87 3,63

Arco Caixa 588 611 23,65 323,7 19,1 7439 2,32 2,96

Arco Caixa 588 615 19,08 244,8 15,57 6023 1,91 3,1

Arco Caixa 588 616 16,3 317,7 13,24 5050 1,67 2,55

Arco Caixa 441 612 41,99 347,4 31,36 12571 9,35 12,06

Arco Caixa 762 612 41,99 326,5 31,12 12275 4,13 5,03

Arco Caixa 914 612 41,99 325,4 32,15 11871 3,15 4,24

Arco Caixa 1219,2 612 41,99 331,6 31,79 12430 1,81 2,73

Arco Caixa 1524 612 41,99 328,2 32,16 12245 1,05 2,08


A determinao da energia irradiada em um curto-circuito trifsico em uma

caixa metlica com dimenses definidas (50,8larg. x 50,8Alt. x 50,8prof.) calculada

seguindo os mesmos procedimentos adotados nos clculos da energia irradiada em um

curto-circuito trifsico em ambiente aberto, porem, devido energia irradiada na caixa

metlica no aterrada apresentar nveis bem superiores, haver uma mudana

significativa nas curvas e equaes. Para a realizao dos clculos so utilizados os

valores obtidos durante os ensaios contidos na tabela 4. As figuras 19 e 20 mostram as

curvas com as respectivas equaes que levaram a determinao da energia irradiada em

cal/cm.

Figura 19 - Corelao entre falta slida e energia incidente. Adapto de [23].

Figura 20 - Energia incidente padronizada. Adaptada de [23].


A equao que determina a energia irradiada devido a um curto-circuito trifsico

em uma caixa metlica no aterrada de dimenses definidas :

(8)

Onde: = Mxima energia irradiada [cal/cm].

= Distncia do barramento ao ponto de prova [in].

= Corrente de falta trifsica slida [kA].

2.2.3 Mtodo Proposto pelo IEEE Std 1584-2004

O IEEE Standards Association desenvolve seus padres atravs de um processo

de consenso aprovado pela American National Standards Institute, que rene

voluntrios que representam pontos de vistas e interesses variados para alcanar um

objetivo comum [15].

A primeira verso deste padro foi publicada em agosto de 2002, tendo sua

primeira e ultima reviso sido publicada em novembro de 2004. O padro IEEE Std

1584-2004 tem como patrocinador, Petroleum and Chemical Industry Committee, ao

qual faz parte do IEEE Industry Applications Society. Este padro tem como finalidade

auxiliar na determinao da energia incidente, devido a um curto-circuito trifsico a

arco, em trabalhos nas proximidades de sistemas eltricos energizados. O mesmo

apresenta mtodos para os clculos dos limites de energia incidente devido a curto-

circuito trifsico a arco baseando-se em mtodos empiricamente derivados, com ajustes

de curvas, de ensaios realizados em painis eltricos de distribuio e linhas em

ambientes abertos para uma faixa de tenso trifsica entre 208V a 15kV na frequncia

de 50Hz ou 60Hz e correntes de faltas entre 700A a 106kA [15].

A proposta de estudo do padro IEEE Std 1584-2004, para este trabalho, estar

limitada ao estudo das equaes para a determinao da energia irradiada em painis

eltricos de distribuio na faixa de tenso de 208V a 15kV.

Para determinao da energia irradiada devido a um curto-circuito trifsico em

painis de distribuio, nove passos devero ser seguidos, so eles [15]:

1. Obteno de dados sobre a instalao, como:

Diagramas unifilares.


Modelamento do sistema eltrico, para determinao do nvel de

curto-circuito no ponto de interesse.

Estudo da coordenao da proteo.

Contribuies motricas para o curto-circuito no ponto de interesse

(motores acima de 37kW).

A relao X/R do sistema eltrico.

2. Determinar o modo de operao do sistema eltrico, como por exemplo:

Um ou mais alimentador da concessionria em servio.

Painel de distribuio trabalhando com disjuntor de interligao

fechado ou aberto.

CCM (centro de controle de motores) com alimentao dupla.

3. Determinar as correntes de falta trifsicas slida.

Utilizar programa especfico para obter o nvel de curto-circuito

slido trifsico em todos os pontos de interesse da planta,

considerando as impedncias dos cabos e contribuies motricas.

4. Determinar as correntes de falta a arco:

As correntes de falta a arco possuem amplitudes menores que as

correntes de falta slida e devem ser calculadas de acordo com as

equaes contidas no padro IEEE Std 1584-2004.

5. Determinar as caractersticas dos dispositivos de proteo para eliminao do

arco:

Verificar curvas de atuao de fusveis.

Tempo de atuao de disjuntores, rels de bloqueio e rel de

proteo. Se o circuito de comando estiver em srie, os tempos

devero ser somados para determinao do tempo de eliminao total

do arco.

6. Determinar as caractersticas de tenso e aplicao para os painis de

distribuio:

Nvel de tenso e tipo, CDC (Centro de Distribuio de Carga) CCM

(Centro de Controle de Motores). Existe padronizao para painis de

distribuio eltrico, desta forma as distncias entre barramentos e

entre barramento (fonte do arco) e o frontal do painel so definidos

pelo nvel de tenso e tipo do painel (CDC ou CCM).


7. Seleo da distncia de trabalho:

A distncia de trabalho considerada em [15], distncia do

barramento (fonte do arco) a parte frontal do painel. Esta distncia

padronizada pelo nvel de tenso e tipo do painel de distribuio.

8. Determinar a energia irradiada para todos os painis de distribuio da

planta:

Podem ser utilizados, as equaes e a planilha de calculo do IEEE

Std 1584-2004 ou algum programa especfico disponvel no mercado.

9. Determinar a distncia segura de aproximao.

Utilizar as equaes consideradas em [15] ou programas de clculos

para determinar a distncia para que a exposio energia irradiada

no ultrapasse 1,2cal/cm.

Corrente de Arco

Neste padro foi inserido o conceito de corrente de arco, a importncia deste

termo est ligada ao fato do curto-circuito a arco limitar a corente de falta. Desta forma,

caso o sistema de proteo utilize curvas inversas padronizadas, a atuao da proteo

ocorrer em um tempo superior quele considerado para a corrente de falta slida.

Como a energia irradiada est diretamente ligada ao tempo de atuao da proteo, ter-

se-ia uma energia irradiada maior que a calculada.

A corrente de arco devido a um curto-circuito trifsico em painis de

distribuio em sistemas eltricos com nvel de tenso abaixo de 1000V dada por [15]:

(9)

Onde:

= Corrente de arco [kA].

= 0.097 para configuraes em painis

= Corrente (rms) de falta slida trifsica simtrica [kA].

= Tenso do sistema [kV].

= Distncia (gap) entre os barramentos [mm].


A corrente de arco devido a um curto-circuito trifsico em painis de

distribuio em sistemas eltricos com nvel de tenso superior a 1000V dada por

[15]:

(10)

Onde:


= Corrente (rms) de falta slida trifsica simtrica [kA].

Em sistemas com tenso inferior a 1000V, na ocorrncia de um curto-circuito

trifsico a arco, poder ocorrer uma queda de tenso no sistema eltrico, onde a mesma

provocar uma reduo de at 15% do valor nominal da tenso. Com a ocorrncia da

queda de tenso, o valor da corrente de arco se altera, alterando tambm o tempo de

atuao da proteo para sistemas que utilizam curvas inversas em sua coordenao.

Desta forma, dever ser recalculada a corrente de arco com tenso reduzida de 15% e

verificar em qual das duas situaes o nvel de energia maior, onde, o maior valor

encontrado ser utilizado como referncia para o calculo da energia irradiada [15].

Clculo da Energia Irradiada

Primeiramente realizado o calculo da energia normalizada ( ), esta equao

baseada em dados normalizados para um arco com um tempo de durao de 0,2

segundos e uma distncia de 610mm em relao fonte do arco (barramentos). A

energia normalizada dada por:

(11)

Onde:

= Energia incidente normalizada [J/cm].

= 0.555 para painis de distribuio

= 0 para sistemas no aterrados e 0.113 para sistemas aterrados.


= Distncia (gap) entre os barramentos [mm].


E finalmente, a energia irradiada dada por:

(12)

Onde:

= Energia incidente [J/cm].

= Fator de calculo, 1.0 para tenses acima de 1kV e 1.5 para tenses abaixo

de 1.0kV.

= Energia incidente normalizada.

= Tempo de durao do arco [s].

= Distncia da fonte do arco (barramentos) at o ponto considerado [mm].

= o expoente de distncia entre barramentos, dado pela tabela 4 do padro

IEEE 1584.

A equao para a distncia segura de aproximao pode ser derivada da equao

de energia incidente, considerando que a mxima energia incidente para uma

determinada distancia em elao a fonte do arco de 5J/cm. Desta forma, a distncia

limite de segurana dada por:

(13)

Onde:

= distncia da fonte do arco at o ponto de limite de proteo [mm].

= a energia incidente em J/cm de segurana para uma distncia limite.

= Fator de calculo, 1.0 para tenses acima de 1kV e 1.5 para tenses abaixo

de 1.0kV.

= Energia incidente normalizada.

= Tempo de durao do arco [s].

= o expoente de distncia entre barramentos, dado pela tabela 4 do padro

IEEE 1584.

Juntamente com o padro IEEE Std 1584-2004, fornecida uma planilha para o

clculo da energia irradiada e distncia segura de aproximao. Na figura 21

apresentada planilha onde dever ser preenchida, pelo usurio, com os dados obtidos

do sistema eltrico em estudo.


Figura 21 - Planilha de calculo do IEEE Std 1584-2004. Fonte [15].

O guia IEEE 1584 para clculo dos riscos associados energia irradiada em um

curto-circuito trifsico e determinao da distncia segura de aproximao o

documento mais completo sobre o assunto em questo na atualidade. Este documento

alem da abordagem prtica e objetiva em seu texto, o mesmo oferece um conjunto de

planilhas autoexplicativas que possibilitam os clculos de forma prtica. Os nove passos

para realizao do clculo da energia irradiada so fundamentais para se ter um valor

exato da energia incidente e distncia segura de aproximao. Os fabricantes de painis

eltricos e equipamentos facilitam a obteno de parte dos dados necessrios aos

clculos devido s exigncias de padronizao normativas. No prprio texto do padro

IEEE Std 1584-2004, so disponibilizadas tabelas com distncias padronizadas

necessrias aos clculos de energia incidente e distncia segura de aproximao para

painis eltricos de distribuio de baixa e mdia tenso [15].

2.3 Tecnologias para Mitigar os Efeitos do Arco-Eltrico

2.3.1 Painel Resistente a Arco Eltrico

Quando da ocorrncia de um curto-circuito a arco no interior de um painel, dois

fenmenos principais so observados, so eles [27]:

Elevao da presso interna do painel o qual ocorre em duas etapas:

o Etapa de Compresso inicia-se um gradiente de presso interno ao

painel onde a onda de presso desloca-se a 330m/s, tendo esta fase,

uma durao de aproximadamente 10ms [27].

o Etapa de Expanso, a presso interna ao painel atinge seu valor

mximo e tem durao entre 10 a 20ms. Neste ponto de sbita

presso de pico mximo, em painis no ensaiados e certificados para

resistir ao arco eltrico, h uma deformao em sua estrutura de


forma a aliviar o pico de presso interna. Em painel resistente a arco

ocorre a atuao do dispositivo de alvio de presso [27, 28].

Elevao de temperatura, responsvel pelos danos trmicos, ocorre em duas

fases distintas, so elas:

o Fase de Emisso, inicia-se em aproximadamente 20ms aps o incio

do curto-circuito a arco, provoca a emisso de vapores de metal e

materiais isolantes fundidos atravs de vos de portas e paredes

deformados, no caso de painel no resistente a arco, ou pelo

dispositivo de alvio de presso, para painis resistentes a arco [27,

28].

o Fase Trmica, pode provocar incndio e queimaduras severas devido

poeira de plasma e chuva de material derretido lanados para fora

do painel [28].

Na ocorrncia de um curto-circuito a arco, a amplitude mxima da onda de

presso pode ser calculada por [27]:

(14)

Onde:

= Amplitude da onda de presso [kN/m]. = Corrente do arco [A]. = Tempo [s]. = Distncia [m].

Na figura 22, so mostradas as fases relacionadas aos fenmenos devido

elevao da presso interna ao painel e elevao da temperatura responsvel pelos danos

trmicos, associado ao curto-circuito a arco no interior de um painel de distribuio.


Figura 22 - Fases devida elevao de presso e temperatura. Fonte [28].

Na figura 23, abaixo possvel verificar as fases de expanso (1), emisso (2) e

trmica (3), no ensaio de um painel no resistente a arco eltrico. O rompimento devido

o aumento sbito da presso interno ao painel, se dar no ponto de maior fragilidade

mecnica do mesmo [28].

Figura 23 - Ensaio em um painel eltrico no certificado. Fonte [28].

Os requisitos para fabricao de painis eltricos resistentes a arco so dados

pelas normas IEC 62271-200, para painis de mdia tenso, e IEC 61641 para painis


de baixa tenso [6, 7]. Um painel resistente a arco, quando de um curto-circuito trifsico

a arco em um de seus compartimentos, o mesmo dever [6, 7]:

Manter as deformidade mecnica no compartimento dentro de padres pr-

estabelecidos.

No propagar o dano para outro compartimento.

Dever direcionar o alvio de presso pelos flaps.

Atender os requisitos de instalao ao qual foi ensaiado (BFLR, BF-AR ou

AFLR) Onde:

o BFLR - Painel testado para uma corrente de falta (rms) especfico h

um tempo mximo dado. Destina-se a ser instalado em um local de

acesso ao pblico, com proteo assegurada contra energia irradiada

pela frente, lateral e lado posterior.

o BF-AR - Painel testado para uma corrente de falta (rms) especfico h

um tempo mximo dado. Destina-se a ser instalado em um local de

acesso ao pblico pela parte frontal, acesso traseiro restrito a

operadores do sistema eltrico e lateral no acessvel.

o AFLR - Para painis com limitao da corrente de falta a terra,

ensaiado com proteo assegurada contra energia irradiada pela parte

frontal, lateral e lado posterior.

A instalao de um painel resistente a arco eltrico no interior de uma

subestao, dever ser realizada de forma que o painel esteja adequado subestao ou

a subestao adequada para instalao do painel.

Em subestaes antigas onde se pretende instalar um painel resistente a arco,

dever ser observado se o p direto da mesma atende as especificaes do fabricante

para instalao de um painel resistente a arco, caso no esteja adequado s

recomendaes, dever se adequar o painel a subestao, ou seja, devero ser instalados

dutos na parte superior dos painis para direcionar a poeira de plasma e vapores quentes

para fora da subestao [29]. Caso o p direito atenda as recomendaes do fabricante, a

reflexo da poeira de plasma e vapores quentes no teto da subestao sero resfriados,

porem a fumaa txica continua presente no ambiente, sendo necessria a evacuao

das pessoas e ventilao do ambiente. A figura 24 mostra um painel resistente a arco de

um determinado fabricante com as recomendaes de instalao. O ensaio de resistncia


ao arco eltrico do painel, ser testado por um organismo certificador, nas condies de

instalao informadas pelo fabricante.

Figura 24 - Recomendaes para instalao de painel certificado. Fonte [29].

A figura 25 mostra um painel de distribuio de mdia tenso resistente a arco,

sendo aplicado a ele, um curto-circuito trifsico a arco [41].

Figura 25 - Teste de curto-circuito a arco em um painel de mdia tenso.

Fonte [41].


A figura 26 mostra um painel de distribuio de mdia tenso resistente a arco

com duto de exausto, sendo aplicado a ele, um curto-circuito trifsico a arco [41].

Figura 26 - Teste de curto-circuito a arco em um painel de mdia tenso com

duto de exausto. Fonte [41].

Para um painel eltrico de distribuio receber a certificao de resistncia ao

arco eltrico, 5 (cinco) critrios normativos devero ser atendidos [6,7], porem algumas

consideraes dentro dos critrios so aceitas. Durante o ensaio, o painel poder

deformar, perder o grau de proteo IP e ser aprovado no teste. Caso algum sensor

colocado em torno do painel a uma distncia pr-estabelecida pela norma queimar, se

for comprovado atravs de cmaras de alta velocidade, ou outro meio disponvel pelo

laboratrio, que a queima no foi por gases quentes e sim por partculas incandescentes,

o teste considerado satisfatrio.

O painel resistente a arco introduziu um grau de segurana significativa para os

trabalhadores da rea eltrica, porm ainda no se eliminou todos os riscos envolvidos

em um curto circuito a arco em painis de distribuio, os gases txicos gerados ou a

instalao de forma inapropriada do painel na subestao, pode gerar riscos srios ao

trabalhador.

2.3.2 Vestimentas para Trabalhos em Eletricidade

De acordo com o Ministrio do Trabalho e Emprego (MTE) [9], a melhor

alternativa para evitar que um perigo leve a um acidente elimina-lo, o que nem sempre

possvel. Desta forma, dever haver uma hierarquia de mediadas a serem tomadas para

que se possa minimizar ao mximo a exposio aos riscos associados atividade.

Prioritariamente devem ser tomadas medidas de proteo coletiva, como exemplo a

instalao de painis resistente a arco, em seguida devero ser tomadas medidas


administrativas como procedimentos de execuo da tarefa e reduo do tempo de

exposio ao risco, e por ultimo, mas no menos importante, o uso de equipamentos de

proteo individual (EPI) [9].

As vestimentas resistentes a arco utilizadas pelos profissionais da rea eltrica

so consideradas pelos MTE como um EPI, e as mesmas esto sujeitas a ensaios de

desempenho estabelecidos pelas normas, ASTM-F F1959/F1959M-12, IEC-61482-1 e

CENELEC ENV 50354:2000, para testes de tecidos e roupas montadas para verificao

de desempenho frente a exposio ao arco eltrico. Se aprovadas, devero conter o

cdigo CA emitido pelo MTE indispensvel para comercializao e utilizao do

equipamento.

As vestimentas resistentes ao arco eltrico tm como finalidade reduzir o dano

fsico ao trabalhador quando este exposto a um nvel de energia compatvel com suas

vestimentas. A norma ASTM-F F1959/F1959M-12 [13], define que a vestimenta dever

possuir um ATPV (Arc Thermal Performance Value), que segundo sua definio a

energia incidente em um tecido resistente ao arco que resulte em 50% de probabilidade

de transferncia de calor para o lado protegido (pele) e causar queimaduras de 2 grau,

ou seja, de acordo com a figura 5 uma transferncia de calor suficiente para causar uma

queimadura curvel [13]. A figura 27 mostra o processo de transferncia de calor

atravs do tecido.

Figura 27 - Transferncia de calor pelo tecido. Fonte [30].

A tabela 5, extrada da norma NFPA 70E, representa as categorias de

perigo/risco nas realizaes de servios em sistemas eltricos. A mesma indica os EPIs

necessrios s realizaes das tarefas de acordo com o nvel de energia incidente ao qual

o trabalhador estar exposto. A determinao dos EPIs necessrios a cada categoria de


perigo/risco foi identificada por um grupo de trabalho, baseando-se em experincias

coletivas.

A norma NFPA70E no prev EPIs para uma categoria de risco superior a 4.

Caso nos estudos de energia irradiada se encontre nveis de energia incidente superior a

40cal/cm, devero ser realizadas adequaes as instalaes para atendimento aos

limites, ou realizaes de procedimentos operacionais evitando a exposio do

trabalhador a nveis de energia superiores aos indicados pela norma [1].

As roupas de categoria de risco 3 e 4 proporcionam um desconforto ergonmico

muito grande ao trabalhador quando este necessita executar tarefas por tempos

prolongados ou que necessitem de uma sensibilidade manual [18]. A figura 28 mostram

roupas de categoria de risco 3, ATPV para 25cal/cm em um servio de manuteno em

painel eltrico.

Figura 28 - Execuo de trabalho em painel eltrico com uso de roupa para

ATPV de 25cal/cm. Fonte [31].


Tabela 5 - Categoria de perigo/risco. Adaptado [1].

Categoria

Perigo/RiscoRoupa de Proteo e EPIs

0

Roupa de proteo, no tratada e no

fundvel, em fibra natural (algodo no

tratado, viscose, seda ou misturas destes)

com um peso de tecido de pelo menos

4,5oz/yd.

EPIs

Camisa manga comprida

Calas compridas

culos de segurana

Protetor auricular (tipo plug)

Luvas de couro

1

Roupas com ATPV de 4cal/cm

Cala e camisa manga comprida

EPIs

culos de segurana ou culos de proteo

Capacete

Proteo auditiva (tipo plug)

Luvas de couro

Sapatos de couro

2

Roupas com ATPV de 8cal/cm

Cala e camisa manga comprida ou macaco

Protetor facial e balaclava

EPIs

culos de segurana ou culos de proteo

estudo e projeto de um sistema rápido de supressão de arco baseado em tiristores de potência

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