Proteção contra queimaduras por arcos elétricos

Estimativa de energia e escolha da roupa de proteção

Luiz K. Tomiyoshi - DuPont do Brasil S.A
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Introdução

        Um dos assuntos da engenharia de eletricidade que tem sido objeto de estudos recentes, entre vários especialistas da Europa, Canadá e Estados Unidos relacionados aos aspectos da segurança, é o das queimaduras provocadas pelo calor liberado por um arco elétrico ocasionado por curto-circuitos.

        A engenharia elétrica, como o setor que tem a maior afinidade no estudo e cálculo de curto circuito e proteção de sistema elétrico industrial, tem realizado vários estudos e testes em laboratórios para determinar a energia liberada por um arco elétrico. Vários artigos a respeito deste assunto tem sido publicado pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.) {1}, {2}, {3}

        As entidades de segurança do trabalho, como o OSHA {4} e NFPA {5} dos Estados Unidos, prescrevem que conhecer os riscos de arcos elétrico, determinar a energia liberada pelo arco elétrico e escolher o tipo de proteção contra queimaduras são requisitos específicos de segurança elétrica e estão sujeitos à fiscalização quanto ao seu cumprimento no seu respectivo pais de origem.

        A ASTM {6} tem estabelecido critérios e métodos para testar tecidos e determinar os parâmetros de proteção contra queimaduras no caso de uma exposição ao arco elétrico. Já existem no mercado vários fabricantes de tecidos resistente ao calor do arco elétrico com informações para determinar o nível de proteção.

        No campo da medicina, a Universidade de Chicago mantém um departamento de pesquisa e tratamento específico para queimaduras provocadas pelos arcos elétricos.

        Este artigo tem como objetivo descrever, de uma forma resumida, o avanço destes estudos e os respectivos resultados na expectativa de ser útil para estimar o risco do arco e proteger os trabalhadores.

        Deve ser lembrado que qualquer proteção ou EPI (Equipamento de Proteção Individual) é a ultima proteção que o trabalhador possui na eventualidade de falharem todas as demais medidas preventivas de segurança. Portanto, todo o esforço deve ser dedicado para que o trabalhador não se exponha a estes riscos.

As práticas atuais de proteção.

        As normas técnicas internacionais e brasileiras para equipamentos elétricos, prescrevem que os equipamentos devem ser dimensionados e construídos para suportar os esforços mecânicos e térmicos em casos de curto circuitos.

        No caso de painel elétrico de média tensão denominados Conjunto de Manobra e Controle, mais conhecido na prática como painel de média tensão, CCM de média, Painéis ou quadros de Distribuição, tanto a norma ABNT - NBR 6979 {7}, quanto o IEC 298 {8}, prescrevem o tipo de ensaio de arco elétrico criado pelas falhas internas, e que o resultado dos ensaios serão considerados satisfatórios quando, nas condições normais de operação do equipamento:

1- As portas, tampas etc. não se abrirem;

2- Partes ou componentes internos não forem arremessadas;

3- O arco não provocar perfurações no invólucro;

4- Os indicadores verticais colocados externamente não se inflamarem;

5- Os indicadores horizontais colocados externamente não se inflamarem, e

6- Todas as conexões à Terra permanecerem eficazes.

        No caso de baixa tensão, a norma brasileira NBR- 6808 {9} ainda não foi revisada com inclusão deste item, porém a IEC 1641 {10} já prescreve o mesmo tipo de proteção contra arcos, o que esperamos que em breve seja adotado também no Brasil.

        A Engenharia de projetos tem utilizado ferramentas computacionais para melhor calcular as correntes de falhas e adequadamente dimensionar equipamentos, a instalação e coordenar os dispositivos de proteção, isolando-se assim o equipamento ou área com falha e permitindo a continuidade de operação das áreas não envolvido na falha.

        Os dispositivos de proteção, como fusíveis e disjuntores, também têm as suas características de proteção normalizadas definindo o tempo de abertura ou interrupção e limitação de correntes de curto circuito para permitir que os usuários possam selecionar adequadamente para proteger os equipamentos ou a instalação contra os efeitos destrutivos em caso de uma falha.

        Apesar de todos estes requisitos de segurança exigidas por normas e boas práticas de engenharia, as condições de risco aos trabalhadores continuam e sempre continuarão existindo, principalmente, por que numa indústria, ao longo da vida do equipamento, sempre existirá a intervenção humana para operação, manutenção preditiva, preventiva ou corretiva destes equipamentos. Vale ressaltar que a maioria dos incidentes e acidentes ocorridos, apesar de não serem admitidos pela maioria, tem como causa raiz o erro humano, seja ela gerencial (supervisão) ou operacional (funcionários).

        No aspecto gerencial pode-se considerar como causa a falha na avaliação e controle do risco, na atualização dos documentos indicando as alterações e mudanças introduzidas nos equipamentos após a instalação, tais como substituição de componentes danificados, mudanças e ampliações e, em alguns casos, alterações construtivas do equipamento para facilitar a operação e manutenção alterando-se as características de segurança originais.

        Como exemplo de causa operacional pode-se mencionar a operação de liga-desliga com a porta mal travada ou aberta, inserção e remoção de partes ou componentes extraíveis com barramentos energizados e guias desalinhadas ou mesmo um erro na simples tarefa de medição de tensão ou na operação de teste com as portas abertas. Estas condições não estão prescritos na norma de fabricação de equipamentos, e assim, expondo os trabalhadores aos riscos de arcos elétricos.

        Todos estes fatores contribuem para o aparecimento dos riscos de arcos elétricos.

        Devo insistir que a segurança das pessoas não se consegue somente com o EPI, mas sim, através do gerenciamento e controle dessas mudanças, do completo conhecimento dos requisitos de segurança e da correta manutenção e operação destes equipamentos.

Arcos Elétricos.

        O arco elétrico é um fenômeno da eletricidade inerente aos sistemas elétricos. Podem existir de uma forma intensa e controlada como nos casos de solda elétrica e fornos industriais ou com liberação de pequena quantidade de calor como nos casos de interruptores para lâmpadas.

        No caso de falhas elétricas ou curto circuito é um fenômeno indesejável que libera uma enorme quantidade de calor. Este fenômeno, além da liberação de calor, liberam partículas de metais ionizadas que eventualmente podem conduzir correntes, deslocamento de ar com aparecimento de alta pressão, prejudicial ao sistema auditivo, e raios ultravioletas prejudiciais à visão.

        Normalmente os arcos elétricos em painéis aparecem por:

        Como pode ser observado, a maioria das causas do aparecimento do arco é conhecido, portanto, é possível tomar-se ações preventivas antes do seu aparecimento, sejam administrativas ou preditivas. Essas ações podem e devem iniciar já durante a elaboração do projeto, fazendo parte do controle de qualidade durante todas as demais etapas, tais como: montagem, manutenção preditiva, inclusive dos procedimentos administrativos e operacionais.

        É fácil de perceber que a responsabilidade da segurança é um esforço em conjunto da Engenharia de Projeto, Operação, Manutenção e Gerência administrativa coordenado pelo setor de Engenharia de segurança Industrial.

        Neste ponto, pode-se ressaltar, uma vez mais, que a proteção contra queimaduras por arco deve ser considerado como o último recurso, e não como a proteção principal. Desta forma,. a prática de segurança deve ser iniciado na prevenção contra aparecimento do arco.

Estimando a Energia "Calor do arco" num curto circuito.

        O calor liberado num curto circuito com arco pode ser determinado e estimado para cada ponto de operação de um sistema elétrico utilizando-se as ferramentas de cálculo de engenharia, seja de forma tradicional ou através de programas computacionais. Os seguintes dados e informações podem ser normalmente obtidos no setor de engenharia de projeto ou de manutenção:

        O NFPA 70E- {4}, já na edição de 1995, reconheceu e publicou uma formula teórica (1) de Ralph Lee, publicada pelo IEEE, em 1982 {3} para determinar a distância mínima entre o operador e o ponto de falha que poderia ser considerado seguro. Esta formula considera que na distância calculada, o calor do arco atinge o valor limiar de queimadura do segundo grau da pele humana. Ou seja, um valor limite que acima do qual provoca queimadura de segundo grau.

Onde

D = distância do operador ao ponto da falha, ou arco, em pés;

MVA= potência de curto circuito sólido simétrico no ponto da falha, e

t = tempo de extinção do arco.

        Após a publicação do Ralph Lee, muitos ferimentos foram evitados posicionando-se as pessoas na área segura, porém continuava o risco para os que necessitavam trabalhar perto dos equipamentos, dentro da área de risco. E assim as roupas de tecidos resistente ao calor, principalmente aquelas utilizadas pelos bombeiros, foram propostas como alternativas para proteção contra o calor produzido pelos arcos elétricos de uma forma empírica e prática.

        Viu-se, então, a necessidade de introduzir o conceito de energia liberada pelo arco, isto é de se quantificar o risco, a fim de melhor definir a proteção adequada aos que necessitavam trabalhar dentro da área de risco.

        Como os estudos de A.M Stoll e M. A. Chianta, publicado em 1969 {11 }, concluiu que o máximo valor de energia radiante que uma pessoa, exposta durante 1 segundo, poderia suportar sem sofrer queimadura do segundo grau é de 1,2 cal / cm2, valor conhecido como o limiar de queimadura do segundo grau, podemos introduzir a variável E (calor) na formula de Lee (1) levando em consideração que na distância calculada a energia máxima é o limiar de queimadura, e fazendo as respectivas transformações para o sistema métrico obtém-se a fórmula (2):

E= 5.117*kV*kA*t/ d2 (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 trifásico em kA, e

kV - tensão do arco em kV.

        No entanto, esta solução não foi satisfatória. A roupa de proteção normalmente utilizada para suportar o calor de chamas, não deveria ser avaliada da mesma maneira para o caso de arco elétrico. No caso do arco elétrico, tem-se uma quantidade muito grande de energia liberada a alta temperatura em pequeno espaço de tempo (muitas vezes menor do que um décimo de segundos), com a transferencia de calor predominantemente por radiação, enquanto que no caso de chamas, o calor é produzido a baixa temperatura (se comparada com a temperatura do arco) e a transferência ocorre 50% por radiação e 50 % por convecção.

        O calor, ou a energia liberada por uma chama, é relativamente simples de se quantificar baseado no poder calorífico do combustível e o tempo da chama. Conhecendo-se o total de calor irradiado, a escolha da proteção se resume em identificar o material que suporta o calor incidente sem permitir que do lado protegido o mesmo não atinja o valor limite que provoca queimadura do segundo grau. Os estudos para proteção contra as chamas havia atingido um estágio de desenvolvimento tal que já existiam normas e parâmetro para determinar a performance dos tecidos contra o calor e os métodos de testes e critérios para medir as características de proteção o que ainda não ocorria em relação aos arcos elétricos.

        A partir de 1995, vários estudos e testes foram conduzidos em laboratórios da Europa e Canadá com arcos elétricos com o objetivo de comprovar o comportamento da energia liberada por um arco elétrico em várias situações, tendo como premissa os estudos de curto-circuito e o comportamento das correntes e tensão em regime transitório.

        Um destes estudos e testes é o que foi conduzido no laboratório do Hydro Ontario, Canadá, cujo resultado foi publicado na revista do IEEE {1 } em 1998, para caso de arcos em equipamentos elétricos de baixa tensão (até 1000 volts), cujas formulas foram reconhecidas pelo NFPA-70E {5} e publicada na edição de fevereiro de 2000.

        Resumidamente, o teste consistiu em criar arcos em duas situações distintas: a primeira dentro de uma caixa metálica com um dos lados aberto, simulando uma gaveta de um CCM com porta aberta, onde todo o calor é liberado pela parte frontal, e a segunda situação com arco em ambiente aberto onde, neste caso, o calor é liberado em todas as direções.

        Nas duas situações foi criado o arco num curto trifásico e medido o calor variando as distâncias do ponto ao arco, distância entre os eletrodos, e as correntes de curto entre 16 kA e 50 kA. Durante os testes verificou-se que a distância entre os eletrodos de 1,25" é o que dava a condição mais severa de radiação de arco, e assim foi fixado esta distância e o tempo do arco em 0,1 segundos (6 ciclos).

        Com os resultados, estabeleceu-se os algoritmos (3), (4) para cálculos de energia nas situações que mais se aproximava das configurações de equipamentos mais usuais nas instalações industriais e em condições mais severas de liberação de energia:

Assim, para arcos em caixa fechada chegou-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, e

I - corrente de curto circuito sólido trifasico em kA (válido para corrente entre 16 e 50 kA).

Determinação do tecido.

        Em 1998, a ASTM publicou o procedimento F 1959 {6}, estabelecendo-se os critérios de teste para medir a característica dos tecidos quando sujeitos à arcos elétricos.

        Esta característica, chamada ATPV (Arc Thermal Performance Value), é definida como o valor da energia incidente que o tecido suporta sem permitir que exceda o valor limiar de queimadura do segundo grau no lado protegido (fig. 1). Este valor é medido em testes com equipamentos especialmente montados para este fim e determinado pela aplicação de algoritmo especialmente estabelecido pela ASTM .

        Em alguns casos, este valor se torna muito difícil de ser medido devido à combustão do tecido. Nestes casos é definido um valor equivalente denominado EBT (Breakopen Threshold Energy), que é o valor médio dos 5 valores máximos de energia incidente que não provoca o "break open" do tecido e não exceda o limiar de queimadura do segundo grau. O "break-open" é definido como qualquer abertura na camada interna (próximo a parte protegida) maior do que 0,5 pol2 em área ou rachadura maior do que 1 polegada em comprimento.

        Como regra geral, cada fabricante de roupa de proteção deve fornecer os valores do ATPV ou EBT, em função do tipo da confecção, independente dos valores fornecidos pelos fabricantes de tecidos. Caso a roupa seja fabricada com várias camadas de um tecido, ou composição de tecidos diferentes, o mesmo se aplica para o conjunto.

        A publicação do IEEE {1}, apresenta uma tabela (tabela 1), reproduzida no final, com valores médios dos resultados obtidos nos testes pelo método da ASTM de várias tecidos de diferentes fabricantes. Estes valores são valores médios resultado dos testes, e podem ser utilizados como um guia na escolha da roupa na falta de melhores informações.

Conclusão:

        É indiscutível que a engenharia elétrica tem contribuído no desenvolvimento da economia e crescimento industrial, incluindo a segurança operacional e patrimonial através dos sistemas de proteção.

        Infelizmente esta mesma eletricidade tem ocasionado ferimentos e mortes por queimaduras por choques e arcos elétricos. Na maioria dos acidentes, se procura a causa da falha do equipamento com o objetivo de melhorar a qualidade do material ou equipamento e buscar novas tecnologia para evitar recorrência, sem no entanto considerar a fragilidade do corpo humano e das ações do indivíduo para dar melhor proteção.

        A maioria acredita que a melhoria no equipamento é a solução da segurança, porém as estatísticas não comprovam este fato. As medidas tecnológicas atuais ainda não são suficientes para dar proteção total às pessoas que necessitam interferir nos equipamentos e dificilmente teremos uma solução. Como foi visto, a engenharia elétrica tem muito a contribuir para evitar perdas de vidas humanas através da quantificação dos riscos elétricos e propondo soluções para proteger o homem.

Faixa de Energia Incidente

Cal/cm2

Classe da Roupa

Descrição da Roupa

(Numero total de camadas)

Gramatura Total

Grama/m2

ATPV

OU

EBT

0-2

0

Algodão Não tratado

(1)

153 - 237

NÃO APLICÁVEL

2-5

1

Camisa e Calça com Fibra de NomexÒ

(1)

153-271

5-7

5-8

2A

Roupa Interna de algodão mais Calça e Camisa de Fibra de NomexÒ

(2)

305-407

8-18

5-16

2B

Roupa de baixo mais a Calça e Camisa de Fibra de NomexÒ (2)

340-476

16-22

8-25

3

Roupa Interna de algodão, mais Calça e Camisa, mais avental de Fibra de NomexÒ

(3)

542-678

25-50

25-40

4

Roupa Interna de algodão, mais Calça e Camisa e mais avental duplo de Fibra de NomexÒ

(4)

813-1107

40 - >60

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

Nota: O número entre parênteses refere-se ao número de camadas do tecido.

 

Referências:

{1} IEEE "Predicting Incident Energy to Better Manage The Electric Arc Hazard on 600 V Power Distribution Systems". Paper No. PCIC 98-36; Richard L. Doughty, Dr. Thomas E. Neal, H. Landis Floyd, II.

{2} IEEE "Protective Clothing Guidelines For Electric Arc Exposure". Paper No. PCIC-96-34; Dr. Thomas E. Neal, Allen H. Bingham, Richard L. Doughty.

{3} IEEE "The other Electricla Hazard: Electrical Arc Blast Burns". IEEE Trans. Industrial Applications, Vol. 1A-18, No 3, p. 246 May/June 1982.

{4} OSHA - Occupational Safety&Health Administration, "1910- subpart S".

{5} NFPA 70E - National Fire Protection Association, "Standard for Electrical Safety Requirement for Employee Workplace - 2000 Edition".

{6} ASTM- F-1959 "Standard Test Method for Determining the Arc Thermal Performance (Value) of Materials for Clothing by Electric Arc Exposure Method using Instrumented Sensor Panels"

{7} ABNT - NBR - 6979 -Jul/98 - "Conjunto de Manobra e controle em invólucro metálico para tensões acima de 1 kV até 36,2 kV - Especificação."

{8} IEC - 298-1990 "A.C. Metal Enclosed Switchgear and Controlgear for Rated Voltages above 1kV and Up to abd Including 52 kV"

{9} ABNT - NBR - 6808 - Mar/93 - "Conjunto de Manobra e controle de baixa tensão montados em fábrica - CFM"

{10}IEC 1641 "Enclosed low-voltage Switchgear and Controlgear assemblies - Guide for testing under conditions of arcing due to an internal fault"

{11} Aerosp. Med. Vol 40, pp 1232-1238, Nov. 1069- "Method and rating systems for evaluation of thermal protection" - A.M.Stoll and M.A Chianta.

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