Relés de Proteção – Do Eletromecânico ao Digital
30 de março de 2024
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A energia elétrica é um bem essencial nas atividades modernas. A praticidade, o conforto e a agilidade nos processos produtivos que a energia fornece deve ser acompanhado de cuidados com a segurança dos trabalhadores que atuam diretamente com a eletricidade. Diante deste contexto o risco de arco elétrico, tratado como um dos mais graves riscos ao trabalhador é o tema deste artigo. Saber quantificar o risco de um arco, a energia incidente, e as proteções envolvidas é fundamental para se evitar acidentes.
Neste artigo vamos abordar:
O que é Arco Elétrico?
Quais as normas sobre arco elétrico e o passo a passo para cálculo de energia incidente?
Quais dispositivos de proteção contra arco elétrico?
A energia elétrica é um bem indispensável no mundo moderno. Hoje é praticamente impensável a vida sem a utilização da energia em nossos lares, na indústria e comércio. O desenvolvimento de um país passa pela riqueza e diversificação de sua matriz energética.Todo esse conforto e praticidade que a energia elétrica fornece vem acompanhado de certos riscos que requerem cuidados na segurança em seu manuseio.
Quando se pensa em perigos associados a energia elétrica logo vem em mente os problemas com choques elétricos e curtos-circuitos. Um outro problema, de consequências graves para os seres humanos é o arco elétrico. Trabalhadores que operam e fazem manutenção em sistemas elétricos, principalmente em sistemas industriais, estão sujeitos ao fenômeno do arco elétrico, que em função da grande energia liberada pode causar graves queimaduras e levar até a óbito. Outros problemas associados ao arco elétrico são perda de visão, surdez, fraturas etc.
Assim, é de suma importância saber quantificar este risco e aplicar os procedimentos que podem salvar vidas diante de um problema desta natureza. Normas nacionais e internacionais apresentam modelos de cálculo de energia incidente que quantificam o problema e ajudam a dimensionar a proteção, bem como equipamentos para proteção individual do trabalhador, com vestimentas e calçados adequados.
As principais normas que abordam o assunto são internacionais como a IEEE Std 1584 – 2018 e a NFPA 70E e serão discutidas e apresentadas nos tópicos seguintes deste artigo, além de apresentarmos a metodologia de cálculo da energia incidente.
Um arco elétrico é caracterizado por um curto-circuito através de um meio geralmente não condutivo como o ar. O fenômeno possui alta potência e capacidade de liberar grandes quantidades de energia na forma de calor e luz. Para se ter uma ideia, a temperatura em um fenômeno deste tipo pode chegar a 20.000K [1].
Ainda de acordo com [1] a maioria das falhas por arco são de origem monofásica, que se não eliminadas rapidamente se transformam em trifásicas, agravando o problema. O arco elétrico tem um comportamento diferente da corrente de falta convencional devido à resistência de arco e geralmente também possui valores menores se comparado a um curto. Devido a esta certa imprevisibilidade do fenômeno, os cálculos de energia incidente descritos em normas vigentes são baseados em dados experimentais, sendo discutido mais adiante [2].
A natureza destrutiva do arco elétrico vem sendo apresentada e discutida em trabalhos ao longo dos anos, tanto danos a vida humana, como já comentado no tópico introdutório, quanto a equipamentos são os problemas mais abordados. Custos envolvidos por danos em equipamentos e paradas em produção também são reflexos dos danos causados pelo arco elétrico.
As principais normas sobre o tema são internacionais como a IEEE 1584 e a NFPA 70E. Os normas possuem metodologias de cálculo da energia incidente que serão abordadas de forma sucinta nos tópicos seguintes.
O objetivo da norma IEEE 1584 [3] é calcular a energia incidente que os trabalhadores estão expostos durante manutenções e operações. O modelo de cálculo de energia incidente é derivado de um modelo empírico. A norma é uma das mais utilizadas para o cálculo e estudo de energia incidente, com metodologia implementada em vários softwares de cálculo e simulação. A norma apresenta 10 etapas descritas de forma sucinta a seguir.
Passo 1: Coleta de dados do sistema
De acordo com a norma um dos maiores esforços para a realização de um estudo de risco de arco é a coleta de dados no sistema. São necessários revisões do diagrama unifilar do sistema, dados de fonte de energia, como a da concessionária, motores, cabos, transformadores etc.
Passo 2: Determinação dos modos de operação
Nesta etapa é avaliado todos os modos de operação do sistema. Modos de operação normal, manutenção e outras condições especiais que devem ser avaliadas.
Passo 3: Determinação das correntes de curto
O estudo de arco é baseado em um estudo prévio e atualizado de curto-circuito, que pode ser realizado através de software específico.
Passo 4: Determinação de espaço típicos entre condutores e dimensão de painéis
A seção 6.5 da IEEE 1584 apresenta uma tabela com espaçamento típico entre condutores ou barramentos e informações com tamanhos típicos de painéis para cada classe de tensão.
Passo 5: Determinação da configuração do eletrodo do equipamento
Nessa etapa é determinada a disposição do arranjo do condutor, se está ao ar livre ou dentro do painel e se está na posição vertical ou horizontal. A tabela 9 da seção 6.6 da norma apresenta uma tabela para melhor identificação destas configurações.
Passo 6: Determinação das distâncias de trabalho
A proteção contra arco de acordo com a norma IEEE 1584 é baseada no nível de energia incidente na cabeça e tronco do trabalhador à distância de trabalho. As distâncias típicas de trabalho são encontradas na tabela 10 da seção 6.7 da norma.
Passo 7: Cálculo da corrente de arco
A corrente de arco é determinada nesta etapa, ela é baseada principalmente nas correntes de curto, do estudo prévio de curto-circuito realizado. A corrente de arco é calculada utilizando as equações disponíveis na seção 4 da norma.
Passo 8: Cálculo da duração do arco
A duração do arco, de acordo com a norma é definida conforme o tempo que as fontes a montante da corrente de arco param de fornecer energia a falha. Assim, a duração do arco geralmente depende do tempo de operação de um dispositivo de sobrecorrente.
Passo 9: Cálculo da energia incidente
O cálculo da energia incidente é realizado através das equações da seção 4 da norma, normalmente um software específico para este estudo é utilizado
Passo 10: Determinar o limite do arco
Nessa etapa é calculado o limite do arco para um equipamento, utilizando-se equações da seção 4 da referida norma.
A norma NFPA [4] tem por objetivo apresentar práticas de segurança para trabalhadores de serviço de eletricidade. É composta de 3 partes que descrevem a segurança no local de trabalho e a manutenção. A norma também apresenta as características de EPIs que devem ser seguidas tanto para cabeça, pés, mãos e face. A seleção dos EPIs é abordada através de tabelas e do cálculo da energia incidente através do método de Ralph Lee, do método de Doughty e Neal e do método da própria IEEE 1584.
Nos tópicos anteriores foram abordados os perigos envolvendo o arco elétrico e as principais normas para quantificar o risco, calcular a energia incidente e selecionar os EPIs. Neste tópico será abordado os dispositivos e proteções contra arcos elétricos.
Os painéis resistentes a arco são construídos de acordo com normas específicas como o IEC 61641. Eles providenciam uma proteção extra para os trabalhadores. São projetados para suportar tensões severas, minimizando também os danos ao prédio de instalação.
Como já descrito anteriormente o fenômeno de arco elétrico libera luz e radiação que pode ser utilizado para detectar o fenômeno. Esta característica é combinada com um dispositivo de sobrecorrente para evitar trip indevido. Estes sensores de luminosidade são geralmente do tipo pontual ou de fibra óptica e detalhes sobre eles podem ser encontrados em [2].
Os relés digitais para proteção contra arco elétrico combinam os sensores de luz sescritos anteriormente com uma unidade de sobrecorrente ajustado para a atuação contra a corrente de arco. A atuação destes relés é geralmente muito rápida atuando com a função 50PAF para sobrecorrente de fase instantânea e 50NAF para sobrecorrente de neutro instantânea.
O software ETAP® de simulação de sistemas elétricos possui uma plataforma de energia incidente para análise do arco elétrico de acordo com a norma IEEE 1584-2018. O software também realiza a avaliação de risco e níveis de EPIs adequados de acordo com a norma NFPA 70E 2018 [5]. Alguns dos recursos da análise de arco são:
• Cálculo da corrente de arco e energia incidente;
• Elaboração de etiquetas;
• Criação de coordenogramas para proteção;
• Obtenção de dados típicos de painéis de acordo com a IEEE 1584;
• Plataforma de analisador de resultados.
A segurança no manuseio da energia elétrica, em particular na prevenção e mitigação dos riscos associados ao arco elétrico, é de extrema importância.
As normas, os dispositivos de proteção e os softwares especializados desempenham um papel fundamental nesse processo, fornecendo diretrizes e ferramentas para a quantificação, prevenção e proteção contra o arco elétrico.
É essencial que as empresas e os profissionais do setor elétrico estejam cientes dessas medidas de segurança e as implementem em suas práticas cotidianas, a fim de garantir um ambiente de trabalho seguro e reduzir os riscos relacionados à energia elétrica.
[1] L. Kumpulainen ; S. Dahl ; J. Ma. “Mitigation of arcflash hazards and reduction of costs by selective arcflash protection”. China International Conference on
Electricity Distribution – 2008.Guangzhou, China.
[2] John A. Kay ; Juha Arvola ; Lauri Kumpulainen.
“Protection at the speed of light: Arc-flash protection combining arc flash sensing and arc-resistant technologies”. Record of Conference Papers – Industry Applications Society 56th Annual Petroleum and Chemical Industry Conference. Anaheim, CA, USA – 2009.
[3] IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard
Calculations 1584 – 2018. IEEE Industry Applications Society. ISBN: 978-1-5044-5822-1.
[4] Standard for Electrical Safety in the Workplace®. NFPA 70E. Current Edition: 2018. ISBN: 978- 145592152-2.
[5] https://etap.com
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