UFPA ESTUDO DE ARCO ELÉTRICO EM SUBESTAÇÕES DE UM SISTEMA INDUSTRIAL VALBERTO COSTA PINHEIRO JUNIOR. 1º Semestre de 2014

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1 UFPA ESTUDO DE ARCO ELÉTRICO EM SUBESTAÇÕES DE UM SISTEMA INDUSTRIAL VALBERTO COSTA PINHEIRO JUNIOR 1º Semestre de 2014 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS DE TUCURUÍ FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA TUCURUÍ-PARÁ Tucuruí, 10 de Fevereiro de 2014.

2 i UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS DE TUCURUÍ FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA VALBERTO COSTA PINHEIRO JUNIOR ESTUDO DE ARCO ELÉTRICO EM SUBESTAÇÕES DE UM SISTEMA INDUSTRIAL TRABALHO SUBMETIDO AO COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA. Orientadora: Engenheira Eletricista Eleanor Dias Co-Orientadora: Profª. Dra. Luciana Pereira Gonzalez Tucuruí-PA 1º Semestre de 2014.

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4 iii Dedico este trabalho a Deus, a minha família e a todos aqueles que contribuíram para sua elaboração.

5 iv AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus, fonte de vida, fé, força e perseverança. Aos meus pais e irmãos, que sempre apostaram em mim, pelo suporte, pelo apoio, pelas orações e principalmente pelo amor, que faz a vida valer a pena e possuir um enorme significado. Minha bisavó, exemplo supremo do verdadeiro amor, compaixão e bondade, fonte eterna de minha inspiração. Aos parentes próximos, todos estiveram presentes na longa caminhada desta graduação. Meu muito obrigado e meu carinho a todos. Aos colegas de faculdade por todos os momentos de dedicação e trabalho em grupo que contribuíram fundamentalmente para o desenvolvimento e tarefas durante o curso. Aos colegas de estágio tanto na Eletrobras - Eletronorte como na Alcoa, com quem compartilhei os primeiros contatos com a vida profissional e pude solidificar o gosto pela profissão escolhida. A todos os professores do curso de engenharia elétrica pela dedicação, entusiasmo demostrado, responsáveis diretamente ou indiretamente pela minha formação como engenheiro eletricista. A todos os professores que passaram pela minha vida e me transmitiram conhecimentos grandiosos contribuindo para a construção de quem sou hoje. A minha Orientadora e Co-orientadora pelo apoio e dedicação. À Alcoa pela oportunidade de realizar o curso sobre arco elétrico e contribuir com os dados necessários para realização deste estudo. A todas as pessoas que por motivo de esquecimento não foram citadas anteriormente, vou deixar neste espaço minhas sinceras desculpas.

6 v SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... vii LISTA DE TABELAS... viii LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS... ix CAPÍTULO INTRODUÇÃO... 1 CAPÍTULO ENTENDENDO O RISCO DE ARCO ELÉTRICO E SUAS PROTEÇÕES Considerações Iniciais O Arco Elétrico Avaliando a intensidade do arco elétrico Métodos de Proteção Contra Arco Elétrico Equipamento de proteção individual Equipamento elétrico à prova de arco A Proteção de queimadura por arco elétrico Características dos materiais das vestimentas de proteção contra arcos elétricos Testes para tecidos e roupas de proteção contra arcos elétricos Norma ASTM F 1959; F 1959 M Norma IEC CENELEC ENV 50353: CAPÍTULO NORMAS PARA CÁLCULO DA ENERGIA INCIDENTE Considerações Iniciais NFPA 70E IEEE CAPÍTULO ESTUDO DE CASO Considerações Iniciais... 27

7 vi 4.2 Cálculo da Energia Incidente Coleta de dados necessários para o preenchimento da planilha Utilizando a planilha desenvolvida no programa Excel para encontrar o resultado final Resultados do Estudo CAPÍTULO CONCLUSÃO Considerações Finais Trabalhos Futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS Anexo A: Diagramas de Impedâncias de Sequência Positica das Plantas do Porto e Beneficiamento Anexo B: Níveis de Curto-circuito Trifásico para Cada Condição Operacional do Beneficiamento e Porto...63 APÊNDICE Placas de Sinalização de Todos Painéis Estudado... 66

8 vii LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Arco elétrico em ensaio laboratorial Figura 2.2 Queimadura causada por um arco elétrico Figura 4.1 Imagem aérea das subestações do Porto Figura 4.2 Imagem aérea das subestações do Beneficiamento Figura 4.3 Imagem aérea da subestação S372, responsável pelo abastecimento de água na planta do Beneficiamento Figura 4.4 Interface da planilha elaborada no Excel para o cálculo da energia incidente Figura 4.5 Continuação da interface do programa para cálculo de energia incidente elaborado no Excel Figura 4.6 Parte final da interface do programa para cálculo de energia incidente desenvolvido no Excel Figura 4.7 Planilha toda preenchida com os dados coletados e apresentado os resultados esperados Figura 4.8 Placa de sinalização de risco de arco elétrico Figura 4.9 Placa de aviso antes da realização deste estudo Figura 4.10 EPI nível quatro contra o risco de arco elétrico Figura 4.11 EPI nível três contra o risco de arco elétrico... 55

9 viii LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 Sistemas de baixa tensão Limites máximos da corrente de curto-circuito para vários níveis de tensão e tempo de abertura de disjuntores, para uso recomendado de EPIs de risco 2 e 4 e arco elétrico em ambiente fechado Tabela 3.2 Passos para determinação da vestimenta de proteção de acordo com a NFPA 70E Tabela 3.3 Etapas para estmativa da energia incidente e determinação dos EPIs adequados pelo método da IEEE Tabela 3.4 Tempo de abertura para disjuntores de potência Tabela 3.5 Tipo de equipamento e distância típica entre barramentos Tabela 3.6 Tipo de equipamento e distância de trabalho Tabela 3.7 Fatores para equipamentos e classes de tensão Tabela 4.1 Tags dos equipamentos de cada subestação Tabela 4.2 Sistema de tensão e classe dos equipamentos das subestações Tabela 4.3 Tipo de aterramento de cada equipamento analisado no estudo Tabela 4.4 Corrente de curto-circuito utilizada para calcular a energia incidente de cada equipamento Tabela 4.5 Tempo necessário para extinguir o arco elétrico Tabela 4.6 Distância típica de trabalho Tabela 4.7 Resultados finais... 51

10 ix LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS Símbolos Descrição Alfabeto Normal EPI Equipamento de Proteção Individual EPC Equipamento de Proteção Coletivo SESMT Serviço Especializado em Segurança e Saúde no Trabalho CCM Centro de controle de Motores NR Norma regulamentadora ASTM American Society for Testing and Materials CENELEC Comité Européen de Normalisation Électrotechnique IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers ATPV Arc Thermal Perfomance Value EBT Breakopen Threshold Energy NFPA National Fire Protection Association TP Transformador de Potência NBR Norma Regulamentadora Brasileira FUPAI Fundação de Pesquisa e Assessoramento à Industria ALCOA Aluminum Company of America

11 x RESUMO O trabalho tem como objetivo calcular a energia incidente proveniente de arcos elétricos e propor o nível de vestimenta de proteção adequada, visando a redução dos riscos causados por esses incidentes nas instalações de uma unidade industrial com sistema isolado de geração elétrica. Por ser extremamente danosa a segurança das pessoas que interagem com uma instalação elétrica e por causar danos significativos aos equipamentos e instalações, a energia incidente, proveniente de um arco elétrico, deve ser mensurada em conformidade com as normas existentes e os riscos devem ser controlados e mitigados, de maneira a não comprometer a integridade física das pessoas e das instalações. Desta forma, o presente estudo é justificado, pois de acordo com a IEE 1584 se deve realizar o estudo de arco elétrico para determinar corretamente o equipamento de proteção individual necessário uma vez que se utilizar equipamento de proteção individuai superdimensionado, além do desconforto causado, novos riscos são criados para o trabalhador. Palavras-chave: Energia Incidente, Arcos Elétricos, Riscos, IEEE 1584.

12 xi ABSTRACT The goal of this work is to calculate the incident energy incoming from arc-flash and propose the proper level of vestment of protection, looking for the reduction of the hazards caused by this incidents in instalations of an industrial unity with isolated system of electrical generation. Because it s extremely dangerous to the safety of the workers that Interact with the electric system, from the arc-flash, it has to be measured in conformity with the existent rules and the riscs must be controlled and mitigated, in the manner to not compromise the fisical integrity of the people and installation. In this way, the present study is justified, because in accordance with the IEEE 1584 it has to be realized the arc-flash study to determine properly the personal protective equipment necessary once that if it s used the personal protective equipment superdimensioned, beyond the desconfort caused. News riscs will be created for the workers. Keywords: Incident Energy, Arc-Flash, Riscs, IEEE 1584.

13 1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO A eletricidade tem importância vital no mundo moderno, chegando a ser desnecessário informar sua necessidade na vida dos seres humanos, seja trazendo conforto e facilitando a execução das atividades em seus lares, seja atuando como insumo nos variados segmentos da economia e da indústria. Por outro lado, sua utilização requer a prática de algumas precauções em função do perigo que ela pode apresentar, tanto para instalações e equipamentos, quanto para pessoas, que muitas vezes desconhecem ou desconsideram este risco. Os acidentes envolvendo a energia elétrica, principalmente no trabalho, ocorrem frequentemente e podem trazer consequências severas, desde graves ferimentos em operadores até imensas perdas financeiras devido à destruição de equipamentos, paradas de serviço e perdas de produção. Um dos mais graves riscos oferecidos pela eletricidade é o arco elétrico. Esse fenômeno libera uma grande quantidade de energia e gera altas temperaturas, os trabalhadores podem sofrer queimaduras graves com potencial, inclusive para leva-los a óbito. É possível dimensionar a quantidade de energia incidente que pode ser liberada por um barramento elétrico, através de algumas normas que foram elaboradas exclusivamente para esses casos. Essa energia incidente está vinculada a algumas características da instalação, como por exemplo, o valor da corrente de curto-circuito e o tempo de atuação dos dispositivos de proteção. Aplicar a metodologia estabelecida nessas normas é necessário para se dimensionar o EPI correto para proteção contra arco. Esses EPIs (Equipamentos de Proteção Individuais) são separados por níveis de energia incidente. Dessa forma, quanto maior for o nível de energia incidente, maior deverá ser a resistência relativa ao fogo repentino dos tecidos que compõem esses EPIs. Os riscos de arco elétrico existentes na unidade avaliada nesse trabalho são minimizados através da adoção desses EPIs. Esse estudo visa calcular o nível de energia incidente e selecionar o nível do EPI mais adequado para proteção contra possíveis ocorrências de arco elétrico nas subestações existentes na mina de bauxita da Alcoa World Alumina Brasil P. LTDA instalada no município de Juruti.

14 2 Este trabalho está dividido em mais quatro capítulos: O Capítulo 2 aborta os principais riscos oferecidos pelo arco elétrico, também trata das formas de proteção contra esse incidente. Faz uma análise mais criteriosa dos equipamentos de proteção individuais, bem como as normas que certificam esses materiais. O Capítulo 3 trata dos principais pontos das normas 70E e IEEE 1584, necessários como base para o estudo de caso desenvolvido nesta pesquisa. O Capítulo 4 trata do estudo de caso, onde é descrito o sistema elétrico da unidade e todos os estudos necessários para a realização do trabalho, como valores de curtocircuito, valores das distâncias apropriadas de trabalho e valores de energia incidente. Este capítulo trata também das vestimentas de proteção mais adequadas para realização das tarefas nas subestações da empresa. O Capítulo 5 apresenta a conclusão do trabalho, abordando os ganhos tanto do trabalhador como da empresa. Aborda também todas as melhorias proporcionadas pela realização do estudo.

15 3 CAPÍTULO 2 ENTENDENDO OS RISCOS DE ARCO ELÉTRICO E SUAS PROTEÇÕES 2.1 Considerações Iniciais Os profissionais que interagem com instalações elétricas energizadas, desenvolvendo atividades de operação e manutenção ou atividades em proximidades, estão sujeitos a riscos intrínsecos, como choque elétrico, incêndio, arcos elétricos e fogo repentino. Apesar do grande número de acidentes de origem elétrica, esse tema normalmente é comparado a outros riscos industriais existentes, ou mesmo ao choque elétrico, não tem sido tratado com a prioridade que merece. Para proteção ao risco de choques elétricos, a Norma NBR 5410 Instalações Elétricas de Baixa Tensão [1] trata de maneira explícita os diversos métodos empregados para proteção. Para incêndios de origem elétrica, o assunto é exaustivamente tratado em projetos e órgãos competentes, bem como pela NBR Proteção Contra Incêndios em Subestações [2]. Quanto à proteção ao risco de arco elétrico, não há histórico no Brasil de medidas específicas de controle e proteção, tão pouca normas ou literaturas técnicas a respeito do assunto, tornando difícil aos profissionais de Engenharia e SESMT (Serviço Especializado em Segurança e Saúde no Trabalho), a definição de medidas eficazes de controle. Assim, para que esses profissionais possam elaborar um Programa de Proteção ao Risco de Arco Elétrico eficaz, são necessárias informações técnicas específicas, quanto a: Competência de pessoas; Fenômeno de arco elétrico e fogo repentino; Exposição; Tipo de trabalho; Nível de energia incidente; Características das instalações; Características dos EPIs e EPCs (Equipamentos de Proteção Coletivos); Legislações técnicas aplicáveis.

16 4 A consideração de arco elétrico como riscos intrínsecos às atividades elétricas atende as prescrições da NR10, quanto à obrigatoriedade da análise e adicionais contidas na norma: Em todas as intervenções em instalações elétricas devem ser adotadas medidas preventivas de controle do risco elétrico e de outros riscos adicionais, mediante técnicas de análise de risco, de forma a garantir a segurança e a saúde no trabalho [3]. 2.2 O Arco Elétrico O arco elétrico pode ser resumido como um curto-circuito fechado através do ar, quando a isolação entre dois condutores ou um condutor e a terra é rompida ou não suporta mais a tensão aplicada. Sua temperatura pode atingir mais de C, liberando uma luz intensa e um forte barulho [4]. Uma enorme quantidade de energia é descarregada a partir do equipamento elétrico, espalhando gases quentes e metal derretido, podendo causar severas queimaduras a quem estiver trabalhando nas proximidades de um painel energizado. As fortes ondas de pressão que saem do cubículo chegam a arremessar ferramentas e outros objetos, que podem atingir e danificar outras áreas da instalação ou até mesmo ferir pessoas que estejam no local. A Figura 2.1 (Retirada de [14]) demonstra o momento da ocorrência de um arco elétrico em ensaio laboratorial. Figura 2.1 Arco elétrico em ensaio laboratorial. (Fonte: [14]) Este fenômeno pode ocorrer em painéis de distribuição, CCMs (Centros de Controle de Motores), dutos de barras ou em qualquer outro lugar onde houver a falha de um equipamento elétrico. Suas principais causas são [4]:

17 5 Erros Humanos: um operário trabalhando sob pressão pode esquecer algum objeto em contato com as partes vivas do circuito; Conexões Deficientes: as conexões frouxas e os contatos não intencionais de disjuntores extraíveis com algum ponto do sistema podem gerar calor, desencadeando uma falha com arco elétrico; Animais: a presença de pequenos animais em instalações elétricas geralmente leva à ocorrência de curto-circuito com arco; Falha de Equipamento ou Materiais: a degradação de dispositivos isolantes, diante da presença de sobretensões transitórias, pode provocar o início de uma falha com arco elétrico. A evolução do arco elétrico dentro de um cubículo pode ser dividida nas seguintes fases [4]: 1. Compressão: a energia do arco é descarregada no ar contido no recinto, os eletrodos começam a evaporar e há o consequente aumento de pressão. Este estágio se desenvolve durante os primeiros 5 a 15 ms; 2. Expansão: o incremento de pressão gerado na etapa anterior produz a abertura de alguma porta ou conduto de alívio e o ar começa a ser expulso, diminuindo a pressão interna. Esta fase dura entre 5 e 15 ms; 3. Expulsão: a pressão no interior do painel diminui, mas o ar quente continua sendo expulso e a temperatura aumenta potencialmente. A expulsão de ar tenderá a extinguir-se quando o ambiente adquirir a temperatura do arco. Este período persiste por cerca de 40 a 60 ms; 4. Térmica: o arco afeta totalmente os materiais isolantes. A temperatura alcança milhares de graus Celsius e os condutores e a estrutura começa a se fundir. Este estágio continua até que se elimine a falha Avaliando a intensidade do arco elétrico O nível de energia liberado num arco elétrico é denominado Energia Incidente, definida como a quantidade de energia imposta numa superfície, a certa distância da fonte, gerada durante a ocorrência de um arco elétrico, medido normalmente em calorias por centímetro quadrado (cal/cm 2 ), podendo também ser expresso em joules por centímetro quadrado (J/cm 2 ) [5]. Sabe-se que a energia liberada num arco elétrico pode ultrapassar o valor de C e se aproximar de C, podendo levar o ser humano a óbito.

18 6 A ocorrência de um arco elétrico nas proximidades de um operador aquece instantaneamente a superfície de sua pele. Em muito pouco tempo, o calor se difunde para o interior do corpo e eleva a temperatura até uma dada profundidade. A faixa de suportabilidade térmica do corpo humano é estreita e a integridade das células pode ser rapidamente danificada fora dessa faixa, chegando à destruição total. O limite suportável da pele humana, para queimaduras é de 1,2 cal/cm 2 (5J/cm 2 ) [6], aproximadamente quarenta e sete graus centrígrados, sendo que acima desse valor, torna-se necessária a adoção de práticas que reduzem o nível de energia irradiada na instalação, ou a utilização de vestimentas de proteção, que atenuem o nível de energia incidente recebida pela pele humana a valores aceitáveis. Para efeitos informativos, as seguintes temperaturas são utilizadas como valores de referência: Pele humana queimadura curável: 80 C; Pele humana morte de células: 90 C; Ignição de roupas: 400 C a 800 C; Queima continua de roupas: 800 C; Partículas de metal derretido proveniente de um arco elétrico: 1000 C; Superfície do Sol: 5000 C. Dessa forma, quantificar o valor de energia incidente num arco elétrico torna-se imprescindível para a definição e seleção de medidas de proteção eficientes, tanto para a proteção do trabalhador como da instalação. Vale ressaltar que o tempo de exposição do ser humano ao calor devido à exposição ao arco elétrico, é fator preponderante para severidade da lesão. A gravidade de uma queimadura, como a mostrada na Figura 2.2 (Retirada de [14]), é diretamente proporcional a sua extensão e a sua profundidade. As lesões térmicas de segundo e terceiro graus podem causar restrições físicas ao ser humano. Os tratamentos requerem auxílio clínico em hospitais especializados. Nesses casos, o perigo de morte está sempre presente. Outro aspecto relevante diz respeito ao emprego de roupas inadequadas quanto à exposição a fluxos térmicos, pois, zonas do corpo cobertas com vestimentas inapropriadas podem ser mais queimadas do que se estivessem expostas. As queimaduras mais severas são causadas pela ignição do uniforme de trabalho e não somente pela exposição do eletricista ao arco elétrico.

19 7 Figura 2.2 Queimadura causada por um arco elétrico. (Fonte: [14]) A obtenção de estatísticas sobre a ocorrência de arcos é bastante difícil. Isso ocorre devido ao sigilo imposto por processos legais e tendência natural das pessoas se recusarem a reportar esses problemas e admitir os erros cometidos. Estimativas baseadas em registros anônimos e dados de centro de tratamento de queimaduras indicam que ocorrem de cinco a dez explosões com arco elétrico nos Estados Unidos todos os dias [7]. Os trabalhadores que sofrem essas lesões necessitam de meses ou anos de recuperação, com custos bastantes elevados, isso quando o acidente não é fatal. Adicionalmente, existem gastos com multas, indenizações e seguros. A preocupação com a segurança de instalações e das pessoas deve vir em primeiro lugar. Mais importante que descobrir quem foi o culpado por alguma ocorrência é o acúmulo de dados suficientes para criar estatísticas precisas sobre as características dos ferimentos e estragos causados por um arco elétrico, a fim de ajudar a evitar futuros acidentes. 2.3 Métodos de Proteção Contra Arco Elétrico As queimaduras por arcos elétricos representam uma parcela muito grande entre os ferimentos provocados por eletricidade em locais de trabalho. Apesar da seriedade e da importância vital que isso representa para os trabalhadores que executam serviços em eletricidade, este assunto tem recebido pouca atenção pelos usuários em geral, quando comparado com outros perigos da eletricidade como os choques, incêndios e outros aspectos que tange a segurança industrial. É reconhecido que a tecnologia tem evoluído muito para preservar a integridade do equipamento ou da instalação, como proteção do sistema elétrico, detecção do arco interno,

20 8 equipamentos resistentes a arco entre outros. Estas tecnologias normalmente são aplicadas para proteção patrimonial e operacional da instalação na eventualidade de ocorrer falhas no sistema elétrico segregando as partes afetadas ou confinando as consequências da falha em invólucros como painéis de tal forma que não atinja as pessoas que eventualmente estiverem na proximidade. A maioria dos acidentes acontece quando o operador ou o eletricista precisa remover as barreiras de proteções como portas de painéis, instalar ou inserir e remover componentes operacionais como disjuntores com o equipamento energizado. Nestas situações o trabalhador fica totalmente exposto ao perigo e a sua segurança só depende da prática segura e uso de EPI adequado. É justamente nesta condição de trabalho que se deve ficar atentos providenciando proteção. A energia liberada por arco elétrico é extremamente alta e pode causar ferimentos severos até uma distância de três metros do ponto de falha nos equipamentos industriais de alta tensão mais comuns e igualmente para distância menor, nos equipamentos de baixa tensão. A energia liberada varia de acordo com a configuração do sistema elétrico e nível de curto-circuito disponível no ponto da falha. O risco pode ser avaliado através da mesma sistemática adotada para dimensionamento e proteção dos equipamentos. As zonas de risco e o potencial podem ser determinados e calculados. Conhecendo a zona e o nível de risco, podemos estabelecer medidas de proteção através de soluções de engenharia, tais como limitação de energia a um nível suportável, através do confinamento da energia e escolha adequada de Equipamentos de Proteção Individual Equipamento de proteção individual No Brasil, a NR-6 - Norma Regulamentadora do Ministério do Trabalho e Emprego [8] estabelece as exigências legais para Equipamentos de Proteção Individual para proteção dos trabalhadores contra riscos suscetíveis de ameaçar a segurança e a saúde no trabalho. Nesta NR não está explicita a necessidade de proteção contra arcos elétricos, mas estabelece que o EPI deva proteger os trabalhadores contra agentes térmicos tanto para cabeça, face, membro superior e inferior e corpo inteiro. O arco elétrico numa falha é um agente térmico igual da solda elétrica a arco. A diferença é que nos serviços em eletricidade os arcos ocorrem por falha liberando energia muito superior a de uma máquina de solda e é um risco suscetível de ameaça à segurança e a saúde do trabalhador, portanto o eletricista e/ou operador deve ser protegido pelo EPI da mesma maneira que os soldadores.

21 9 Nos Estados Unidos e na Europa, em função da necessidade e obrigatoriedade legal para proteção contra os efeitos térmicos do arco elétrico, foram desenvolvidos normas para verificar e determinar o desempenho dos tecidos e vestimentas utilizados como EPIs pelas entidades como a ASTM (American Society for Testing and Materials) nos EUA, a CENELEC (Comité Européen de Normalisation Électrotechnique) na Europa e o IEC (International Electrotechnical Commission) com abrangência internacional [9] Equipamento elétrico à prova de arco As normas técnicas internacionais e brasileiras prescrevem que os equipamentos elétricos devem ser dimensionados e construídos para suportar os esforços mecânicos e térmicos em casos de curto-circuito sem danificar o equipamento. No caso de equipamentos à prova de arco todo o material da combustão deve ser direcionado para cima para não atingir o trabalhador, as portas e coberturas de proteção não abram, não haja rajadas de fragmentos, o arco não provoque furos no painel, a integridade do aterramento seja mantida, e amostra de tecido colocada a certa distância na posição vertical e horizontal não inflame [6]. Esta condição é encontrada em situações normais de operação, onde o equipamento é mantido fechado, porém para executar manutenções e/ou inspeções de rotina ou extraordinária, é necessário remover as coberturas de proteção, ou remover ou inserir componentes, como disjuntores ou gavetas de CCMs, alterando toda a condição de segurança estabelecida pelas normas. Portanto, mesmo para equipamentos a prova de arco ainda o trabalhador especializado (mantenedor, operador, eletricista) fica exposto ao risco A proteção de queimadura por arco elétrico Existem estudos e modelos matemáticos, publicados pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) [10], para cálculo da energia liberado pelo arco elétrico nas condições das instalações elétricas em função do nível de curto-circuito existente no equipamento e a distância de trabalho em relação ao ponto onde possa ocorrer o arco. Por outro lado, de acordo com estudos de A. M. Stoll da marinha americana, o corpo humano pode sofrer queimadura do segundo grau quando exposto a uma energia na forma de calor de 5 J/cm 2 [4]. Com base no valor da energia liberado por um arco e o limite do calor que o corpo humano pode suportar para não sofrer queimadura do segundo grau, podemos avaliar e identificar vestimentas para proteger o trabalhador contra queimaduras por arco elétrico.

22 10 Em 1999, a ASTM [14], definiu um indicador denominado ATPV (Arc Thermal Performance Value), para medir o desempenho dos tecidos e caracterizar a roupas de proteção contra arco elétrico. ATPV é o valor máximo da energia incidente sobre o tecido sem permitir que a energia no lado protegido exceda o valor limiar de queimadura do segundo grau, ou seja, que não ultrapasse cinco Joules por cm 2 e não entre em combustão. Este valor é medido por testes específicos expondo o material aos arcos elétricos em diferentes condições de corrente e tempo de exposição. Em alguns casos, não é possível medir esta energia devido à carbonização do tecido. Nestes casos é utilizado um valor denominado EBT (Breakopen Threshold Energy), que é o valor médio dos cinco valores máximos de energia incidente que não provoca o "break open" do tecido, ou seja, o material carbonizado não apresenta abertura na camada interna (próximo a parte protegida) maior do que 0,5 pol 2 em área ou rachadura maior do que uma 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 Características dos materiais das vestimentas de proteção contra arcos elétricos De acordo com o NFPA 70E [4], as fibras de algodão tratado retardante de chamas, Meta-aramida, Para-aramida, Poli-Benzimidazole (PBI) são materiais com características de proteção térmica em geral. A fibra de Para-amida, além da proteção térmica, ainda tem uma característica que evita o Break Open, ou seja, rachadura do material carbonizado. Os materiais sintéticos como poliéster, nylon, e mistura de algodão-sintético não devem ser utilizados para proteção contra arcos elétricos, pois elas derretem sobre a pele quando exposto à alta temperatura consequentemente agravando a queimadura. Algodão e mistura algodão-poliester, seda, lã e nylon são considerados materiais inflamáveis. Os tecidos com fibras de algodão tratado retardante de chamas, Meta-aramida, Para-aramida, Poli-Benzimidazole, podem iniciar a ignição, mas não mantêm a combustão quando a fonte for removida. As vestimentas fabricadas com materiais naturais como, algodão, seda e lã são consideradas aceitáveis, de acordo com o NFPA, se a análise determinar que o tecido não continuará queimando nas condições de exposição ao arco elétrico.

23 11 O NFPA expressa claramente que as fibras sintéticas puras de nylon, poliéster, rayon ou mistura destes materiais com algodão, não devem ser utilizados como material de proteção contra arcos elétricos. Alguns tecidos resistentes a chamas como modacrylico e algodão tratado retardante de chamas non-duráveis, conforme critério de teste de durabilidade da ASTM não são recomendados para uso de proteção dos trabalhadores em serviços de eletricidade. As características das roupas de proteção para arcos elétricos devem ser diferentes daquelas normalmente utilizadas para proteção por efeitos térmicos das chamas. A transmissão do calor liberado por arco é predominantemente por radiação (aprox. 90%) num espaço de tempo muito curto podendo atingir temperaturas altíssimas como C. O calor das chamas é transferido por convecção e radiação a temperatura em torno de 2000 C, dependendo do tipo do material combustível, e o tempo de exposição pode variar em função do tipo de proteção requerido, por exemplo, para fuga, ou para combate a incêndio. Para proteção da cabeça, e mais especificamente para a face, há a necessidade de manter a visibilidade, e da mesma maneira que os tecidos, a ASTM tem uma norma específica para testes de protetor facial. Normalmente os visores utilizam policarbonato que tem uma característica de absorver impactos, mas com baixo desempenho de proteção contra o calor do arco. O desenvolvimento tem levado a utilização do polipropionato para proteção contra arcos elétricos, com proteção bem superior ao policarbonato. Independente da proteção contra queimaduras por arcos elétricos é recomendado sempre o uso de capacete e óculos de segurança Testes para tecidos e roupas de proteção contra arcos elétricos Atualmente existem três normas para testes de tecidos e roupas para proteção contra queimaduras por arcos elétricos, a ASTM-F 1959/F1959M-1999, IEC e CENELEC ENV 50354:2000 da comunidade europeia. Tanto a ASTM como a IEC [15], estabelecem critérios de teste e analise para estabelecer quantitativamente a característica térmica do material e o desempenho de proteção com determinação do ATPV ou EBT assim permitindo comparar o desempenho de diferentes materiais de proteção e escolher a proteção mais adequada para o nível de risco existente no local de trabalho. A CENELEC [16] estabelece critério de teste qualitativo definindo a corrente e tempo do arco, sem medição da energia, e verifica se o material passou ou não passou no teste dentro dos parâmetros estabelecidos através da inspeção visual e tempo de combustão do material.

24 Norma ASTM F 1959; F 1959 M 1999 O arranjo consiste em dois eletrodos verticais (aço inox 303 ou 304) de 19 mm de diâmetro e 450 mm de comprimento no mesmo eixo, distanciado de 305 mm. A uma distância de 305 mm do eixo dos eletrodos, são colocadas três peças para fixar as amostras de tecido de 610 x 305 mm, com distanciamento angular de 120 entre si. Cada peça é equipada com dois calorímetros de cobre atrás do tecido e mais dois outros, um de cada lado da amostra. Os calorímetros atrás da amostra medem a energia atrás do tecido e outros dois medem a energia incidente. Para cada disparo do arco, são testadas três amostras de tecido simultaneamente e coletados no mínimo vinte dados dos calorímetros, para validação estatística o que significa que é necessário pelo menos sete testes para cada série com vinte e uma amostras Norma IEC O arranjo é similar ao da ASTM, e consiste de dois eletrodos verticais (aço ou outro material) no mesmo eixo, distanciado de 300 mm. A uma distância de 300 mm do eixo dos eletrodos são colocadas três peças com abertura vertical de 550 x 200 mm, com distanciamento angular de 120 entre si para fixar as amostras de tecidos, cada peça equipados com dois calorímetros de cobre. O calorímetro atrás da amostra mede a energia atrás do tecido e outro colocado ao lado da amostra mede a energia incidente. Para cada disparo do arco, são testadas três amostras de tecido simultaneamente e coletados no mínimo vinte dados dos calorímetros, para validação estatística o que significa que é necessário pelo menos sete testes para cada série com vinte e uma amostras CENELEC ENV 50353:2000 O arranjo do equipamento e circuito elétrico é fixo, e consiste em dois eletrodos colocados verticalmente no mesmo eixo e distanciado de 30 mm. O eletrodo superior é de alumínio e o inferior de cobre. Os eletrodos são cercados nos três lados por uma caixa de teste na forma de cilindro parabólico. As partes superiores e inferiores são seladas por material isolante, de tal forma que o calor seja direcionado para a parte frontal aberta. Faceando a abertura, é colocada uma placa vertical com dimensão de 400 x 400 mm, a uma distancia horizontal com o eixo do arco de 300 mm. Existem dois níveis de teste controlando a corrente nos eletrodos e com o tempo definido de 500 ms:

25 13 1. Classe 1 4 ka, 500 ms 2. Classe 2-7 ka, 500 ms A escolha do nível de teste é estabelecida em função da classe de proteção requerida para proteção estabelecida pelo fabricante do tecido ou roupa. Os testes são feitos em duas amostras para validação, o que significa dois disparos de arcos. A avaliação é feita por inspeção visual de acordo com o seguinte critério: 1. Tempo de combustão (queima) do tecido ou roupa deve ser menor ou igual a cinco segundos após exposição ao arco; 2. Os materiais não devem fundir; 3. Não deve existir nenhum furo maior do que cinco mm (medido em qualquer direção); 4. No caso de roupas, além dos critérios acima, as costuras devem ser mantidas. O material é aprovado para as condições de teste se nenhuma das condições acima ocorrer. O teste não mede o fluxo de calor nem o desempenho do material. O teste serve para avaliar se a roupa ou tecido é adequado para as condições de teste (4 ka ou 7 ka com duração de 500 ms), e não é possível fazer extrapolação para outras condições. A escolha da vestimenta ou roupa de proteção contra queimaduras por arco elétrico requer uma avaliação detalhada da natureza do mesmo e das práticas de trabalho realizado, não devendo realizar esta escolha por analogia com os demais agentes térmicos. A comunidade da engenharia reconhece que falhas elétricas ocorrem a qualquer sistema do tipo, motivo pelo qual vem se desenvolvendo tecnologias como dispositivos de detecção e proteção assim como equipamentos mais resistentes a arcos elétricos.

26 14 CAPÍTULO 3 NORMAS PARA CÁLCULO DE ENERGIA INCIDENTE 3.1 Considerações Iniciais Para o cálculo de energia incidente, devem-se utilizar referências normativas oficiais, conforme a NR10, item : Esta NR se aplica, a todas as fases de geração, transmissão, distribuição e consumo, incluindo as etapas de projeto, construção, montagem, operação, manutenção das instalações elétricas e quaisquer trabalhos realizados nas suas proximidades, observando-se as normas técnicas oficiais estabelecidas pelos órgãos competentes e na ausência ou omissão destas, as normas internacionais cabíveis [1]. Assim, considerando que não possuímos ainda norma técnica nacional específica sobre o assunto, devemos utilizar como base técnica, normas internacionais vigentes. Para o cálculo da energia incidente devido ao arco elétrico, diversas linhas de raciocínio e modelos de cálculo são utilizadas: Ralph Lee: Método da Máxima Energia Incidente (Teórico); NFPA 70E: Aproximação para Baixa Tensão do Método Teórico; IEEE 1584: Modelo Empírico Baseado em Ensaios Normalizados. Os métodos citados possuem características próprias, considerando-se diferentes variáveis e modelos matemáticos, que os tornam mais específicos conforme o tipo de instalação. Dessa forma, a escolha correta do método é fundamental para obterem-se resultados que propiciem a definição coerente de vestimentas de proteção, evitando-se assim, a aquisição de EPIs superdimensionados, que além de inaplicáveis, podem gerar outros riscos adicionais, além de investimentos significantes. Dentre os três métodos apresentados, os mais utilizados no segmento industrial são NFPA 70E e IEEE Quando os limites desses métodos são ultrapassados, as equações teóricas de Ralph Lee poderão ser utilizadas. 3.2 NFPA 70E De acordo com a NFPA 70E [6], os cálculos de energia incidente devem ser realizados com o objetivo de determinar os EPIs necessários para trabalhos executados a uma distância que apresente riscos de queimaduras em função do arco elétrico.

27 15 O cálculo da energia incidente somente é dispensável caso o trabalho seja realizado a uma distância segura de aproximação. A distância segura de aproximação é definida como a distância da fonte do arco na qual uma energia de calor de 1,2 cal/cm², ou 5,0 J/cm², incide sobre uma pessoa sem equipamento de proteção, causando-lhe queimadura de segundo grau. A NFPA 70E possui duas metodologias de cálculo para estimar os valores de energia incidente. O primeiro método, considerado Método Teórico, estima a energia incidente baseando-se em um valor teórico máximo, conforme estudos realizados por Ralph Lee. Por esse método, aplicável para arcos elétricos ocorridos em ambiente aberto e tensão superior a 600 V, a energia incidente é determinada pela equação 3.1 (Retirada de [5]): (3.1) Onde: = Energia máxima incidente, em cal/cm 2 ; = Corrente de curto-circuito, em ka, dentro dos limites de ka; = Tensão de linha, em kv; = Tempo de duração do arco, em segundos; = Distância de trabalho do ponto de arco elétrico, em polegadas. Por ser um modelo teórico, os valores de energia incidente calculados por esse método são muito elevados. Porém, pode ser aplicado em substituição aos outros métodos quando as condições de contorno não forem devidamente respeitadas. Para arcos ocorridos em ambiente aberto, a NFPA 70E disponibiliza a equação 3.2 (Retirada de [5]) para estimativa da energia incidente. [ ] (3.2) Onde: = Energia incidente máxima em ambiente aberto, em cal/cm 2 ; = Distância de trabalho do ponto de arco elétrico, em polegada;

28 16 = Tempo de duração do arco, em segundos; = Corrente de curto-circuito, em ka dentro dos limites de ka). Já em ambientes fechados, de acordo com a NFPA 70E, deve ser aplicada a equação 3.3 (Retirada de [5]) para estimativa de energia incidente. (3.3) Onde: = Energia incidente máxima em ambiente fechado em cal/cm 2 ; = Distância de trabalho do ponto de arco elétrico, em polegada; = Tempo de duração de arco, em segundos; = Corrente de curto-circuito, em ka dentro dos limites de ka) A NFPA 70E também possui um método simplificado para determinação do EPI adequado para proteção contra arco elétrico de acordo com o nível de tensão, o tempo para eliminação do arco e a corrente de curto-circuito. Esse método não estima o valor da energia incidente e considera somente a utilização de EPIs ATPV Categorias dois e quatro. A Tabela 3.1, adaptada da tabela D.9.1 da NFPA 70E, apresenta os valores de energia incidente para instalações de baixa tensão. A NFPA 70E disponibiliza, ainda, outro grupo de tabelas para determinação do EPI a ser utilizado para proteção contra arcos elétricos. Nessas tabelas, a seleção do EPI é realizada de acordo com a atividade que será executada, a corrente do curto-circuito e o tempo para eliminação do arco. A segunda metodologia de cálculo prevista na NFPA 70E, considerado Método Empírico, é baseada na IEEE 1584 e está descrita no item 3.3.

29 17 Tabela 3.1: Sistemas de baixa tensão Limites máximos da corrente de curto-circuito para vários níveis de tensão e tempo de abertura de disjuntores, para uso recomendado de EPIs categoria de risco 2 e 4 e arco elétrico em ambiente fechado (Adaptado de [5]). Tensão (V) Tempo para eliminação do arco (s) 0,05 0, ,20 0,33 0,50 0,05 0, ,20 0,33 0,50 0,05 0, ,20 0,33 0,50 0,05 0, ,20 0,33 0, ,05 0,10 Max Icc 3 para uso de EPI cat. 2 (8 cal/cm 2 ) 39 ka 20 ka 10 ka Não Recomendado Não Recomendado 48 ka 24 ka 12 ka Não Recomendado Não Recomendado 200 ka 122 ka 60 ka 36 ka 24 ka 87 ka 39 ka 18 ka 10 ka Não Recomendado 200 ka 104 ka Max Icc 3 para uso de EPI cat. 4 (40 cal/cm 2 ) 180 ka 93 ka 48 ka 29 ka 20 ka 200 ka 122 ka 60 ka 36 ka 24 ka 200 ka 183 ka 86 ka 50 ka 32 ka 200 ka 200 ka 113 ka 64 ka 39 ka Não Aplicável 200 ka

30 18 A Tabela 3.2 mostra as quatro etapas necessárias para determinação dos EPIs de acordo com essas tabelas. Tabela 3.2: Passos para determinação da vestimenta de proteção de acordo com a NFPA 70E (Adaptado de [5]). Etapa NFPA 70E 1 Informações necessárias: corrente de curtocircuito, tempo de interrupção do arco e descrição da tarefa a ser executada. 2 Consulta-se a tabela (C) (9) para definir a categoria do risco. 3 Consulta-se a tabela (C) (10) que define as vestimentas de proteção e os EPIs de acordo com a categoria de risco. 4 Consulta-se a tabela (C) (11) que define as características das vestimentas de proteção de acordo com a categoria de risco. 3.3 IEEE 1584 A metodologia de cálculo disposta na IEEE 1584 [10] estima a energia incidente a partir de equações desenvolvidas através de análise estatísticas retiradas de inúmeros testes de laboratório. Esse método de cálculo tende a ser mais realista do que o método proposto por Ralph Lee, implicando em níveis de energia incidente menores para uma mesma instalação. Na pratica, os cálculos baseados na IEEE 1584 evitam que o trabalhador utilize uma proteção excessiva, o que facilita a execução de suas atividades laborais. Pelo método da IEEE 1584, são necessários nove etapas para estimativa da energia incidente e determinação dos EPIs adequados. A Tabela 3.3 apresenta essas etapas. Tabela 3.3: Etapas para estimativa da energia incidente e determinação dos EPIs adequados pelo método da IEEE 1584 (Adaptada de [10]) (Continua). Etapa IEEE Coleta de dados da instalação e do sistema 2 Determinar os modos de operação do sistema 3 Determinar a corrente de curto-circuito 4 Determinar a corrente de arco elétrico

31 19 Tabela 3.3: Etapas para estimativa da energia incidente e determinação dos EPIs adequados pelo método da IEEE 1584 (Adaptada de [10]). 5 Encontrar as características dos dispositivos de proteção e o tempo de duração do arco 6 Determinar as tensões dos sistemas e a classe dos equipamentos 7 Determinar a distância de trabalho 8 Calcular a energia incidente em todos os equipamentos 9 Determinar a distância segura de aproximação contra arco elétrico Os itens a seguir detalham cada etapa desse processo de cálculo. Etapa 1: Coleta de dados da instalação e do sistema Nesta etapa é necessário realizar a coleta de dados do sistema elétrico da unidade, tais como diagramas unifilares, que devem estar atualizados. Devem ser considerados os circuitos de distribuição de baixa tensão e possíveis alimentadores alternativos. Após a coleta dos diagramas unifilares, deve-se providenciar todos os dados necessários para o cálculo de curto-circuito. O estudo deve considerar todas as fontes de energia, incluindo a concessionária, geradores auxiliares e motores acima de 37 kw (segundo a IEEE 1584, motores com potência superior ou igual a 37 kw contribuem de maneira significativa para os valores de curto-circuito). Os diagramas devem mostrar os transformadores, linhas de transmissão, circuito de distribuição, sistemas de aterramento elétrico, reatores limitadores de corrente e outros equipamentos limitadores de corrente, correção ou estabilização de tensão, capacitores, chaves seccionadoras, disjuntores e CCMs. Também deve considerar painéis e cubículos, incluindo equipamento de proteção, chaves fusíveis (informando o tipo e capacidade dos fusíveis), alimentadores e circuitos derivados, bem como motores menores que 600 V e transformadores para instrumentos e proteção. Equipamentos abaixo de 240 V não necessitam ser considerados a não ser que possuam potência mínima de 125 kva.

32 20 Etapa 2: Determinação dos modos de operação do sistema. Nessa etapa é necessário analisar todos os modos de operação do sistema elétrico. De acordo com a IEEE 1584, em sistemas radiais há somente um modo de operação normal, porém existem outros sistemas mais complexos que possuem vários modos de operação. É importante determinar a corrente de curto-circuito para o modo de operação que tem a maior corrente de curto-circuito. Etapa 3: Determinação da corrente de curto-circuito. Nesta etapa, a IEEE 1584 recomenda que todas as informações referentes ao diagrama unifilar e os dados coletados dos equipamentos sejam inseridos em um programa para cálculo de curto-circuito. Há programas comerciais que permitem a inclusão de milhares de barras para execução dos cálculos e que permitem um fácil chaveamento entre os modos de operação. É necessário também, incluir as informações referentes aos cabos elétricos da instalação, como comprimento e impedância. Os valores da corrente de curto-circuito devem ser determinados principalmente, nos pontos da instalação onde os trabalhadores desenvolvam suas atividades laborais. Etapa 4: Determinação da corrente do arco elétrico. Nesta etapa é determinada a corrente do arco elétrico nos pontos de interesse da instalação quanto ao risco do arco elétrico. Também é determinada a parcela da corrente que passa através do primeiro equipamento de proteção à montante do local da falta envolvendo arco. A corrente do arco elétrico depende principalmente dos valores da corrente de curtocircuito, mensurados na etapa 3. Após a determinação desses valores, a corrente do arco elétrico pode ser calculada, através da aplicação de equações estabelecidas na norma, para sistemas de baixa tensão (até 1 kv) ou para tensões maiores, entre 1 e 15 kv. Para baixa tensão, deve-se aplicar a equação 3.5 (Retirado de [10]). ( ) (3.5)

33 21 Onde: log = logaritmo na base 10; I a = corrente do arco elétrico, em ka; K = é -0,153 para arco em ambiente aberto, e -0,097 para arco em ambiente fechado; I bf = corrente de curto-circuito para uma falta trifásica, em ka; V = tensão do sistema, em kv; G = distância entre condutores; em mm. Para tensões entre 1 e 15 kv, não há distinção entre as configurações em ambiente aberto e ambiente fechado, devendo ser aplicada a seguinte equação 3.6 (Retirado de [10]): (3.6) Onde: log = logaritmo na base 10; I a = corrente do arco elétrico, em ka; I bf = corrente de curto-circuito para uma falta trifásica, em ka. Posteriormente, realiza-se a conversão do logaritmo, conforme a equação 3.7 (Retirada de [10]). (3.7) Esta etapa, ainda, que deve ser calculada uma segunda corrente do arco elétrico equivalente a 85% da I a, com o objetivo de determinar um segundo tempo de duração do arco. Etapa 5: Encontrar as características dos dispositivos de proteção e tempo de duração do arco. Para esse levantamento, recomenda-se que os dados do sistema de proteção sejam retirados dos equipamentos instalados no campo. Caso contrário, os parâmetros de proteção devem ser calculados através da aplicação de softwares comerciais específicos, ou, caso a

34 22 instalação analisada seja simples, as características dos dispositivos de proteção podem ser encontradas nos catálogos dos fabricantes. Para fusíveis, as curvas de tempo/corrente dos fabricantes podem incluir o tempo de fusão e de interrupção. Neste caso, deve-se adotar o tempo de interrupção. Caso o fabricante forneça somente a média do tempo de fusão, deve-se somar 15% no tempo de fusão, desde que esse tempo seja até 0,03 s. Para tempo superior a 0,03 s, soma-se 10% no tempo de fusão. Essas somas têm como objetivo determinar o tempo total da interrupção. Para disjuntores com relés de proteção integrados, a curva tempo/corrente inclui as informações referentes ao tempo de disparo e o tempo de interrupção. Para disjuntores operados por relés externos, a curva do relé mostra somente o tempo de operação do relé na região temporizada. Para relés operando na região instantânea, considerando-se a operação do mesmo em 16 ms, à frequência de 60 Hz, devendo ser somado o tempo para abertura do disjuntores de potência. A Tabela 3.4 apresenta essas recomendações. A norma orienta, ainda, que tempos de abertura para disjuntores específicos devem ser consultados nos catálogos dos fabricantes. Tabela 3.4: Tempo de abertura para disjuntores de potência (Adaptada de [10]). TENSÃO E TIPO DE DISJUNTOR TEMPO DE ABERTURA EM 60 Hz TEMPO DE ABERTURA (s) (ciclos) Baixa tensão ( 1kV), 1,5 0,025 caixa moldada e relé de proteção integrado Baixa tensão ( 1kV), 3,0 0,050 caixa isolada com relé de proteção integrado ou operado por relé externo Média Tensão (1 a 35 kv) 5,0 0,080 Alta tensão ( 35 kv) 8,0 0,130

35 23 Etapa 6: Determinar as tensões dos sistemas e a classe dos equipamentos. Deve-se documentar, para cada barramento, a tensão dos sistemas e o tipo de equipamento, conforme dispõe a Tabela 3.5 (tabela 2 da IEEE 1584), com o objetivo de identificar o espaçamento entre os barramentos. Tabela 3.5: Tipo de equipamento e distância típica entre barramentos (Adaptada de [10]). TIPO DE EQUIPAMENTO DISTANCIA TÍPICA ENTRE OS BARRAMENTOS (mm) Painel de 15 kv 152 Painel de 5 kv 104 Painel de baixa tensão 32 CCMs quadros elétricos de baixa tensão 25 Cabos 13 Outros Não necessário Etapa 7: Determinar a distância de trabalho De acordo com a IEEE 1584, a proteção contra arco elétrico é sempre baseada no nível de energia incidente que atinge suas mãos e braços. O nível do dano depende da porcentagem da pele do corpo de uma pessoa que sofre uma queimadura. A cabeça e o corpo representam a maior parte da superfície do corpo humano, por isso queimaduras nessas áreas são mais graves do que aquela ocorridas nas extremidades do corpo. A Tabela 3.6, adaptada da tabela 3 da IEEE 1584, apresenta as distâncias de trabalho típicas de acordo com os tipos de equipamentos. Tabela 3.6: Tipo de equipamento e distância de trabalho típica (Adaptada de [10]). TIPO DE EQUIPAMENTO DISTÂNCIA DE TRABALHO TÍPICA (mm) Painel de 15 kv 910 Painel de 5 kv 910 Painel de baixa tensão 610 CCMs e quadros de baixa tensão 455 Cabos 455 Outros A ser determinada no campo

36 24 A distância de trabalho típica é a soma da distância entre o trabalhado típica é a soma da distância entre o trabalhador e a parte frontal do equipamento com a distância entre a parte frontal e a fonte de origem do arco, localizada dentro do equipamento. Etapa 8: Calcular a energia incidente em todos os equipamentos. Nesta etapa, a IEEE 1584 recomenda a utilização de um programa para cálculo da energia incidente. A própria IEEE 1584 disponibiliza uma planilha em Excel para realização desses cálculos, conforme apresentado no capítulo 6 da norma. Para a realização dos cálculos de energia incidentes, a norma estabelece que deve ser determinado, primeiramente, o valor da energia normalizada. A energia incidente normalizada é baseada em valores normalizados para um arco de 200 ms de duração e uma distância de 610 mm entre o ponto de origem do arco e uma pessoa. Essa energia pode ser estimada através da equação 3.8 (Retirada de [10]). (3.8) Onde: log = Logaritmo na base 10; E n = Energia incidente normalizada (J/cm 2 ) para tempo de 200 ms e distância de 610 mm; K 1 = é -0,792 para ambiente aberto, é -0,555 para ambiente fechado. K 2 = é 0 para sistema isolado ou aterrado por alta resistência; é -0,113 para sistema solidamente aterrado. G = Distância entre os condutores, em mm. (3.9) Finalmente, converte-se para energia incidente a partir da energia normalizada, através da equação 3.10 (Retirada de [10]). ( ) ( ) (3.10) Onde: E = Energia incidente (J/cm 2 );

37 25 C f = é um fator de cálculo, 1,0 para tensão acima de 1 kv, 1,5 para tensões igual ou menor do que 1 kv. E n = Energia incidente normalizada; t = tempo do arco, em segundos; D = Distância do possível ponto do arco para uma pessoa (mm); x = Expoente de distância, conforme Tabela O expoente de distância (x) é determinado através da Tabela 3.7, extraída da IEEE Tabela 3.7: Fatores para equipamentos e classes de tensão (Adaptada de [10]). TENSÃO DO SISTEMA (kv) TIPO DE EQUIPAMENTO DISTÂNCIA TÍPICA ENTRE EXPOENTE DE DISTÂNCIA CONDUTORES (mm) 0,208 1,0 Ambiente aberto ,000 Painel de distribuição 32 1,473 CCM e Painel 25 1,641 Cabos 13 2, Ambiente aberto 102 2,000 Painel de distribuição ,973 Cabos 13 2, Ambiente aberto ,000 Painel de distribuição 153 0,973 Cabos 13 2,000 Para determinar o valor da energia incidente em cal/cm 2, deve ser aplicado a seguinte equação 3.11 (Retirada de [10]): ( ) ( ) (3.11) Onde: E = Energia incidente (cal/cm 2 );

38 26 C f = é um fator de cálculo, 1,0 para tensão acima de 1 kv, 1,5 para tensões igual ou menor do que 1 kv. E n = Energia incidente normalizada; = tempo do arco, em segundos; D = Distância do possível ponto do arco para uma pessoa (mm); x = Expoente de distância, conforme tabela 8. Etapa 9: Determinar a distância segura de aproximação contra arco elétrico. Assim como a NFPA 70E, a IEEE 1584 define a distância segura de aproximação como a distância da fonte do arco na qual uma energia de calor de 1,2 (cal/cm²), ou 5,0 (J/cm²), incide sobre uma pessoa sem equipamento de proteção, causando-lhe queimadura de segundo grau. Para determinar a distância segura de aproximação, deve-se aplicar a seguinte equação 3.12 (Retirada de [10]): ( ) ( ) (3.12) Onde: D B = Distância de aproximação do ponto do arco, em (mm); C f = é um fator de cálculo, 1,0 para tensão acima de 1 kv, 1,5 para tensão igual ou menor do que 1 kv; E n = Energia incidente normalizada; E B = Energia Incidente (J/cm 2 ) na distância de proteção; t = tempo do arco, em segundos; x = Expoente de distância, conforme tabela 3.7.

39 27 CAPÍTULO 4 ESTUDO DE CASO 4.1 Considerações Iniciais A Mina de Bauxita Juruti consiste em uma indústria com atividades relacionadas à extração e beneficiamento de bauxita, de propriedade da ALCOA (Aluminum Company of America), a qual está implantada no município de Juruti, estado do Pará. As instalações do Porto do Projeto Juruti tem suprimento de energia elétrica através de Unidades Termelétricas (UTE) contendo seis unidades geradoras de 725 kw e quatro unidades geradoras de 324 kw. Enquanto as instalações do Beneficiamento do Projeto Juruti tem suprimento de energia elétrica contendo seis unidades geradoras de 1700 kw e três unidades geradoras de 324 kw, ambas sob contrato de compra da Petrobras Distribuidora S.A. O nível de tensão entregue pela fornecedora é de V e distribuído às subestações secundárias através de redes aéreas com cabos isolados. Nestas, o nível de tensão é rebaixado em 4160 V para acionamento de cargas de alta potência e em 440 V para acionamento de cargas de baixa potência. Figura 4.1: Imagem aérea das subestações do Porto. (Fonte: Alcoa Juruti)

40 28 A Figura 4.1 mostra a imagem aérea da planta do porto da Alcoa em Juruti. Nela podem ser identificadas a subestação principal e as subestações secundárias, onde foram realizados os estudos de arco elétrico, essas subestações desempenham as seguintes funções no processo industrial: Subestação 110P (Subestação Principal): Logo após a geração de energia pelos geradores termoelétricos a energia e repassada a essa subestação, que em seguida repassa para a subestação de distribuição, no caso a 112P. Subestação 112P (Subestação de Distribuição): Recebe energia da subestação 110P e distribui entre as subestações secundárias. Subestação 481P (Virador de Vagão): Carro virador de vagões; Alimentador de sapatas; Transportadores de correia. Subestação 415P (Estocagem e Manuseio de Bauxita): Transportadores de correia; Empilhadeira de bauxita lavada. Subestação 412P (Transferência e Embarque de Bauxita): Retomadora de roda caçambas; Carregador de navios; Transportadores de correia. Subestação 370P (Sistema de Utilidades): Este sistema é composto por instalações temporárias tais como: escritórios administrativos, CCE, ambulatório, refeitório, portaria, oficina de subconjuntos industriais, Estação de Tratamento de Esgoto ETE, iluminação viária e dos pátios de estocagem e transferência de bauxita para terminal de embarque.

41 29 A Figura 4.2 mostra a imagem aérea do beneficiamento, podendo ser localizadas suas respectivas subestações. Logo em seguida as descrições dos processos de cada subestação utilizada para realização do estudo de arco elétrico no beneficiamento. Figura 4.2: Imagem aérea das subestações do Beneficiamento. (Fonte: Alcoa Juruti) Subestação 110B (Subestação Principal): Logo após a geração de energia pelos geradores termoelétricos a energia e repassada a essa subestação, que em seguida repassa para a subestação de distribuição, no caso a 112B. Subestação 112B (Subestação de Distribuição): Recebe energia da subestação 110B e distribui entre as subestações secundárias. Subestação 611B (Britagem): Britador primário e secundário; Transportadores de correia. Subestação 621B (Estocagem): Transportadores de correia;

42 30 Empilhadeira de minério. Subestação 631B (Lavagem): Lavadores rotativos; Peneiras vibratórias; Transportadores de correia. Sistema de bombeamento de água de processo, bombeamento de rejeito e sistema de vácuo. Subestação 641B (Estocagem de Bauxita Lavada): Transporte de correia; Torre de amostragem; Empilhadeira de bauxita lavada. Subestação 651B (Sistema de Distribuição de Água Bruta): Sistema de bombeamento. Subestação 661B (Lagoas de Rejeito): Sistema de bombeamento. Subestação 372B (Captação de Água Bruta): Sistema de bombeamento. A Figura 4.3 mostra a imagem aérea da única subestação isolada. A Subestação 372B localiza-se às margens do Lago Capiranga a nove quilômetros do beneficiamento, responsável pelo abastecimento de água potável para a área da mina.

43 31 Figura 4.2: Imagem aérea da subestação S372, responsável pelo abastecimento de água na planta do Beneficiamento. (Fonte: Alcoa Juruti) Nas subestações da empresa são realizadas várias manutenções diariamente, que podem causar um incidente com arco elétrico, tais como: Extração de disjuntores em painéis energizados; Termografia em painéis energizados; Medição em painéis de baixa tensão (110 a 440 V) energizados; Manobras em disjuntores energizados. Todas as manutenções realizadas nas subestações são realizadas com o operador utilizando EPI contra o risco de arco elétrico nível quatro. Através do estudo realizado ficou comprovado que esse nível de roupa de proteção é realmente superior ao necessário. Além de poder causar problemas ergonômicos aos trabalhadores do sistema elétrico da empresa futuramente, devido à dificuldade de manter uma postura correta na hora de realizar as tarefas, os custos com roupas de proteção deste nível são extremamente caros.

44 Cálculo da Energia Incidente Os cálculos da energia térmica do arco elétrico foram realizados com base nas normas internacionais recomendadas pelo padrão da Alcoa de junho de Segundo a metodologia disposta na norma IEEE 1584, foi possível desenvolver uma planilha no Excel para facilitar os cálculos, reduzindo bastante o tempo de finalização do estudo e acrescentando mais confiabilidade aos resultados. A planilha serve para determinar a energia incidente e a distância segura de aproximação, tendo como principal resultado a definição de risco da instalação. A definição da categoria de risco é necessária para que o EPI destinado à proteção contra os riscos do arco elétrico seja dimensionado corretamente Coleta dos dados necessários para o preenchimento da planilha Para a correta utilização da planilha, os seguintes dados devem ser preenchidos: Tag ou nomenclatura do equipamento: É necessário identificar o Tag do painel, para que o trabalhador destas subestações saiba exatamente a que painel a placa faz referência. Foi realizado um levantamento de todos os painéis e seus respectivos Tags, essas informações estão presentes na Tabela 4.1: Tabela 4.1: Tags dos equipamentos de cada subestação (Continua) Subestação Tag do Equipamento SE110B 110B-QM-0001 (GEs 1+2, 3+4, 5+6) 110B-QM-0001 (GE 7) SE112B 112B-QM-0001 SE611B S611-QM-0001 S611-MCC-0001 S611-MCC-0002 SE621B S621-QM-0001 S621-MCC-0001 S621-MCC-0002

45 33 Tabela 4.1: Tags dos equipamentos de cada subestação (Continua) SE631B S631-QM-0001 S631-MCC-0001 S631-MCC-0002 S631-MCC-0003 S631-MCC-0004 S641B S641-QM-0001 S641-MCC-0001 S641-MCC-0002 S651B S651-QM-0001 S651-QD-0001 S651-MCC-0001 S651-MCC-0002 S651-BC-0001 S661B S661-QM-0001 S661-MCC-0001 S661-MCC-0002 S372B S372-QM-0001 S372-MCC-0001 S372-MCC-0002 S110P 110P-QM-0001 (GEs 1+2, 3+4, 5+6) 110P-QM-0001 (GEs ) S112P 112P-QM-0001 S370P S370-QM-0001 S370-MCC-0001

46 34 Tabela 4.1: Tags dos equipamentos de cada subestação S412P S412-QM-0001 S412-MCC-0001 S412-MCC-0002 S412-MCC-0003 S415 S415-QM-0001 S415-MCC-0001 S415-MCC-0002 S481 S481-QM-0001 S481-QD-0001 S481-MCC-0001 S481-MCC-0002 Tipo do equipamento e tensão de linha do sistema elétrico; Para cada condutor ou barramento foi documentado o sistema de tensão e a classe do equipamento, como mostra a Tabela 4.2. Isto permitirá aplicar as equações baseadas na norma da classe do equipamento e a distância entre condutores ou barramentos. Tabela 4.2: Sistema de tensão e classe dos equipamentos das subestações (Continua) Subestação Tag do Equipamento Tensão (kv) Tipo de Equipamento SE110B 110B-QM-0001 (GEs 1+2, 3+4, 5+6) 13,8 Painel 110B-QM-0001 (GE 7) 13,8 Painel SE112B 112B-QM ,8 Painel

47 35 Tabela 4.2: Sistema de tensão e classe dos equipamentos das subestações (Continua) SE611B S611-QM ,8 Painel S611-MCC ,16 CCM S611-MCC ,48 CCM SE621B S621-QM ,8 Painel S621-MCC ,16 CCM S621-MCC ,48 CCM SE631B S631-QM ,8 Painel S631-MCC ,16 CCM S631-MCC ,48 CCM S631-MCC ,48 CCM S631-MCC ,48 CCM S641B S641-QM ,8 Painel S641-MCC ,16 CCM S641-MCC ,48 CCM S651B S651-QM ,8 Painel S651-QD ,48 Painel S651-MCC ,48 CCM S651-MCC ,48 CCM S651-BC ,48 Painel S661B S661-QM ,8 Painel S661-MCC ,16 CCM S661-MCC ,48 CCM

48 36 Tabela 4.2: Sistema de tensão e classe dos equipamentos das subestações S372B S372-QM ,8 Painel S372-MCC ,16 CCM S372-MCC ,48 CCM S110P 110P-QM-0001 (GEs 1+2, 3+4, 5+6) 13,8 Painel 110P-QM-0001 (GEs ) 13,8 Painel S112P 112P-QM ,8 Painel S370P S370-QM ,8 Painel S370-MCC ,48 CCM S412P S412-QM ,8 Painel S412-MCC ,16 CCM S412-MCC ,16 CCM S412-MCC ,48 CCM S415 S415-QM ,8 Painel S415-MCC ,16 CCM S415-MCC ,48 CCM S481 S481-QM ,8 Painel S481-QD ,48 Painel S481-MCC ,48 CCM S481-MCC ,48 CCM

49 37 Tipo de instalação: Quanto ao tipo de instalação o equipamento pode ser classificado como aberto (para instalação ao ar livre, ex: disjuntores, seccionadores de subestações) ou fechado (painéis fechados, sistemas em canaletas, dutos de barramento). Todos os equipamentos instalados envolvidos no estudo são do tipo fechado. Tipo de aterramento: Os aterramentos dos equipamentos são do tipo indireto (sistema aterrado por meio de reator, alta resistência ou isolado) ou do tipo direto (sistema solidamente aterrado). Foi realizada então uma pesquisa nos manuais de instalações para coletar as informações corretas sobre o tipo de aterramento dos equipamentos, a tabela mostra o tipo de aterramento de cada equipamento em estudo: Tabela 4.3: Tipo de aterramento de cada equipamento analisado no estudo (Continua) Subestação Tag do Equipamento Tipo de Aterramento SE110B 110B-QM-0001 (GEs 1+2, 3+4, 5+6) Sistema solidamente aterrado 110B-QM-0001 (GE 7) Sistema solidamente aterrado SE112B 112B-QM-0001 Sistema solidamente aterrado SE611B S611-QM-0001 Sistema solidamente aterrado S611-MCC-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S611-MCC-0002 Sistema isolado e aterrado por alta resistência SE621B S621-QM-0001 Sistema solidamente aterrado S621-MCC-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S621-MCC-0002 Sistema isolado e aterrado por alta resistência

50 38 Tabela 4.3: Tipo de aterramento de cada equipamento analisado no estudo (Continua) SE631B S631-QM-0001 Sistema solidamente aterrado S631-MCC-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S631-MCC-0002 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S631-MCC-0003 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S631-MCC-0004 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S641B S641-QM-0001 Sistema solidamente aterrado S641-MCC-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S641-MCC-0002 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S651B S651-QM-0001 Sistema solidamente aterrado S651-QD-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S651-MCC-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S651-MCC-0002 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S651-BC-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S661B S661-QM-0001 Sistema solidamente aterrado S661-MCC-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S661-MCC-0002 Sistema isolado e aterrado por alta resistência

51 39 Tabela 4.3: Tipo de aterramento de cada equipamento analisado no estudo S372B S372-QM-0001 Sistema solidamente aterrado S372-MCC-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S372-MCC-0002 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S110P 110P-QM-0001 (GEs 1+2, 3+4, 5+6) Sistema solidamente aterrado 110P-QM-0001 (GEs ) Sistema solidamente aterrado S112P 112P-QM-0001 Sistema solidamente aterrado S370P S370-QM-0001 Sistema solidamente aterrado S370-MCC-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S412P S412-QM-0001 Sistema solidamente aterrado S412-MCC-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S412-MCC-0002 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S412-MCC-0003 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S415 S415-QM-0001 Sistema solidamente aterrado S415-MCC-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S415-MCC-0002 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S481 S481-QM-0001 Sistema solidamente aterrado S481-QD-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S481-MCC-0001 Sistema isolado e aterrado por alta resistência S481-MCC-0002 Sistema isolado e aterrado por alta resistência

52 40 Corrente de curto-circuito do sistema elétrico, em ka; A empresa possui um estudo de curto-circuito para todo seu sistema elétrico, esse estudo foi realizado através de um programa de computador que executa milhares de barramentos e permite fácil chaveamento entre os modos de operação. O programa permite encontrar a corrente de curto-circuito sólida em cada ponto de interesse, normalmente todos os locais onde os trabalhadores possam está trabalhando. O nome do programa não será divulgado neste estudo, pois se trata de um segredo de indústria. A Tabela 4.4 mostra os valores de curto-circuito em cada equipamento analisado no estudo. Tabela 4.4: Corrente de curto-circuito de cada equipamento, utilizada para calcular a energia incidente (Continua) Subestação Tag do Equipamento Corrente de Curto-circuito (ka) SE110B 110B-QM-0001 (GEs 1+2, 3+4, 5+6) 3, B-QM-0001 (GE 7) 3,528 SE112B 112B-QM ,527 SE611B S611-QM ,42 S611-MCC ,868 S611-MCC ,032 SE621B S621-QM ,998 S621-MCC ,334 S621-MCC ,662 SE631B S631-QM ,512 S631-MCC ,609 S631-MCC ,993 S631-MCC ,996 S631-MCC ,807 S641B S641-QM ,344 S641-MCC ,212 S641-MCC ,467

53 41 Tabela 4.4: Corrente de curto-circuito de cada equipamento, utilizada para calcular a energia incidente (Continua). S651B S651-QM ,423 S651-QD ,008 S651-MCC ,953 S651-MCC ,387 S651-BC ,607 S661B S661-QM ,185 S661-MCC ,226 S661-MCC ,309 S372B S372-QM ,069 S372-MCC ,793 S372-MCC ,451 S110P 110P-QM-0001 (GEs 1+2, 3+4, 5+6) 2, P-QM-0001 (GEs ) 2,094 S112P 112P-QM ,094 S370P S370-QM ,957 S370-MCC ,396 S412P S412-QM ,062 S412-MCC ,654 S412-MCC ,823 S412-MCC ,338 S415 S415-QM ,037 S415-MCC ,444 S415-MCC ,113

54 42 Tabela 4.4: Corrente de curto-circuito de cada equipamento, utilizada para calcular a energia incidente. S481 S481-QM ,077 S481-QD ,338 S481-MCC ,285 S481-MCC ,756 Tempo necessário para extinguir o arco elétrico: Não foi realizada a análise com 85% da corrente de arco e 35% da corrente de curtocircuito, como pedido pela norma IEEE 1584, pois o tempo de interrupção do disjuntor não depende de uma curva característica, sendo fixo para todos os valores de corrente de curtocircuito. Não existem fusíveis para proteção contra curto-circuito, os únicos fusíveis disponíveis, servem para proteger os TPs (Transformadores de Potência). Dessa forma, o tempo necessário para extinguir o arco elétrico é igual à somatória do tempo do relé mais o tempo do disjuntor, a Tabela 4.5 apresenta os valores do tempo necessário para extinguir o arco elétrico de cada equipamento envolvido no estudo. Tabela 4.5: Tempo necessário para extinguir o arco elétrico (Continua). Subestação Tag do Equipamento Tempo de Atuação da Proteção (s) SE110B 110B-QM-0001 (GEs 1+2, 3+4, 5+6) 0, B-QM-0001 (GE 7) 0,345 SE112B 112B-QM ,595 SE611B S611-QM ,345 S611-MCC ,145 S611-MCC ,145 SE621B S621-QM ,345 S621-MCC ,145 S621-MCC ,145

55 43 Tabela 4.5: Tempo necessário para extinguir o arco elétrico (Continua) SE631B S631-QM ,345 S631-MCC ,145 S631-MCC ,145 S631-MCC ,145 S631-MCC ,145 S641B S641-QM ,345 S641-MCC ,145 S641-MCC ,145 S651B S651-QM ,345 S651-QD ,145 S651-MCC ,1 S651-MCC ,1 S651-BC ,1 S661B S661-QM ,345 S661-MCC ,145 S661-MCC ,145 S372B S372-QM ,345 S372-MCC ,145 S372-MCC ,145 S110P 110P-QM-0001 (GEs 1+2, 3+4, 5+6) 0, P-QM-0001 (GEs ) 0,345 S112P 112P-QM ,595 S370P S370-QM ,345 S370-MCC ,15

56 44 Tabela 4.5: Tempo necessário para extinguir o arco elétrico S412P S412-QM ,345 S412-MCC ,145 S412-MCC ,145 S412-MCC ,145 S415 S415-QM ,345 S415-MCC ,145 S415-MCC ,145 S481 S481-QM ,345 S481-QD ,145 S481-MCC ,1 S481-MCC ,1 Determinar a distância de trabalho Segundo a norma IEEE 1584, os danos sofridos por arcos elétricos são proporcionais ao tamanho da área do corpo humano atingido pela queimadura. Como a cabeça e o corpo representam a maior parte da superfície do corpo humano, queimaduras nessas áreas são mais graves do que aquelas ocorridas nas extremidades do corpo, como por exemplo, mãos ou braços. A distância de trabalho típica é a soma da distância entre o trabalhador e a parte frontal do equipamento com a distância entre a parte frontal e a fonte de origem do arco, localizada dentro do equipamento. A Tabela 4.6 contém as distâncias de trabalho em cada equipamento.

57 45 Tabela 4.6: Distância típica de trabalho (Continua) Subestação Tag do Equipamento Distância de Trabalho (mm) SE110B 110B-QM-0001 (GEs 1+2, 3+4, 5+6) B-QM-0001 (GE 7) 910 SE112B 112B-QM SE611B S611-QM S611-MCC S611-MCC SE621B S621-QM S621-MCC S621-MCC SE631B S631-QM S631-MCC S631-MCC S631-MCC S631-MCC S641B S641-QM S641-MCC S641-MCC S651B S651-QM S651-QD S651-MCC S651-MCC S651-BC

58 46 Tabela 4.6: Distância típica de trabalho S661B S661-QM S661-MCC S661-MCC S372B S372-QM S372-MCC S372-MCC S110P 110P-QM-0001 (GEs 1+2, 3+4, 5+6) P-QM-0001 (GEs ) 910 S112P 112P-QM S370P S370-QM S370-MCC S412P S412-QM S412-MCC S412-MCC S412-MCC S415 S415-QM S415-MCC S415-MCC S481 S481-QM S481-QD S481-MCC S481-MCC

59 47 O resultado final da planilha informará basicamente três itens: Energia Incidente em J/cm 2 ou cal/cm 2 : esta é a energia que será emanada do curto-circuito e poderá atingir um trabalhador; Distância Segura: esta é a mínima distância que o operador pode ficar do ponto de origem do arco utilizando roupas normais sem sofrer queimaduras incuráveis. Nesta distância a energia incidente que atinge o trabalhador é igual ou menor do que 1,2 cal/cm2 ou 5 J/cm2; Categoria de risco ou categoria da roupa: forma de classificar o risco de queimadura devido o arco elétrico. Essa categoria de risco é determinada pela norma NFPA 70E e varia de acordo com as faixas de energia envolvidas, indo de 0 a Utilizando a planilha desenvolvida no programa Excel para encontrar o resultado final Após a realização da coleta de todos os dados necessários para o cálculo da energia incidente de acordo com a norma IEEE 1584, foi possível realizar o preenchimento da planilha elaborada no programa Excel, com isso obteve-se os níveis de energia incidente em todos os equipamentos. As Figuras 4.4, 4.5 e 4.6 apresentam a interface da tabela com as lacunas a serem preenchidas para encontrar o resultado final. Na Figura 4.4 pode ser observado que algumas lacunas devem ser preenchidas devidamente de acordo com os dados coletados como a tensão, a corrente de curto-circuito, o tempo de duração do arco, o tag e a fonte de alimentação do equipamento que está sendo analisado. Além de especificar se o equipamento está em compartimento ou não, se o sistema de aterramento é solidamente aterrado ou aterrado por alta resistência, se o equipamento é fechado ou aberto, e se o equipamento é um painel de distribuição o um MCC. Já nas Figuras 4.5 e 4.6 pode ser observado ainda o complemento da tabela desenvolvida no programa Excel, essas tabelas servem de apoio, e foram retiradas da norma IEE Elas contêm algumas constantes que são acrescentadas automaticamente nas equações, de acordo com as especificações dos equipamentos.

60 48 Figura 4.4: Interface da planilha elaborada no Excel para o cálculo da energia incidente Figura 4.5: Continuação da interface do programa para cálculo de energia incidente elaborado no Excel

61 49 Figura 4.6: Parte final da interface do programa para cálculo de energia incidente desenvolvido no Excel. Utilizando o equipamento S412 MCC 0002 como exemplo para demonstrar a realização dos cálculos, é possível então observar na Figura 4.7 a planilha para o cálculo de energia incidente devidamente preenchida. Ainda pode ser analisado o resultado final da planilha, em destaque na Figura 4.7 está presente o valor da energia incidente calculado para o equipamento, o nível do EPI desejável para que o trabalhador possa está seguro em caso de um incidente envolvendo arco elétrico no respectivo equipamento, além do valor da distância segura, que significa a distância recomendada para trabalhos nos equipamentos com um EPI de nível inferior ao sugerido pelo estudo. Com a planilha criada no programa Excel tem-se uma organização melhor dos dados necessários para o estudo, além de acelerar bastante o tempo dos cálculos, visto que as fórmulas para encontrar os resultados finais envolvem bastantes variáveis. Como o programa permite uma conexão entre suas folhas é possível também realizar a montagem da placa de sinalização automaticamente após a finalização do preenchimento da tabela. A Figura 4.8 mostra a tabela finalizada, pronta para impressão e fixação no equipamento S412- MCC 0002.

62 50 Figura 4.7: Planilha toda preenchida com dados coletados e apresentando os resultados esperados Figura 4.8: Placa de sinalização de risco de arco elétrico (Fonte: Alcoa Juruti)

63 Resultados do Estudo Da mesma forma que foi encontrada o valor da distância segura, da energia incidente e a categoria de roupa para o equipamento S412- MCC- 0002, para demonstrar o uso correto da planilha, foram realizados os outros cálculos para os restantes dos equipamentos das subestações. A Tabela 4.11 apresenta os valores finais da distância segura, da energia incidente e da categoria de roupa mais adequada para a proteção contra o risco de arco elétrico da instalação analisada, considerando 100% da corrente do arco: Tabela 4.7: Resultados finais (Continua) Subestação Tag do Equipamento Distância Segura (mm) Energia Incidente (cal/cm²) Categoria Roupa (NFPA 70E) SE110B 110B-QM-0001 (GEs 1+2, , , 5+6) 110B-QM-0001 (GE 7) ,5 1 SE112B 112B-QM ,7 1 SE611B S611-QM ,4 1 S611-MCC ,9 1 S611-MCC ,1 2 SE621B S621-QM ,2 0 S621-MCC ,5 1 S621-MCC ,7 2 SE631B S631-QM ,5 1 S631-MCC S631-MCC ,1 3 S631-MCC ,1 3 S631-MCC

64 52 Tabela 4.7: Resultados finais (Continua) S641B S641-QM ,4 1 S641-MCC ,9 0 S641-MCC ,9 2 S651B S651-QM ,4 1 S651-QD-0001 S651-MCC S651-MCC ,4 2 S651-BC ,4 2 S661B S661-QM ,3 1 S661-MCC ,7 1 S661-MCC ,4 1 S372B S372-QM ,9 0 S372-MCC ,5 1 S372-MCC ,7 1 S110P 110P-QM-0001 (GEs 1+2, , , 5+6) 110P-QM-0001 (GEs , ) S112P 112P-QM ,5 1 S370P S370-QM ,8 0 S370-MCC ,6 2 S412P S412-QM ,9 0 S412-MCC ,4 1 S412-MCC ,5 1 S412-MCC ,5 2

65 53 Tabela 4.7: Resultados finais S415P S415-QM ,8 0 S415-MCC ,4 1 S415-MCC , P-ED ,5 3 S481P S481-QM ,9 0 S481-QD S481-MCC ,4 2 S481-MCC Nesse caso específico, não existe diferença nos tempos de atuação da proteção porque nenhuma das correntes previstas na norma entra na curva de tempo inverso do relé. Dessa forma, o maior valor de energia incidente será obtido para 100%. Não sendo preciso o cálculo da energia incidente, para um corrente de curto-circuito equivalente a 85% e 38% da corrente de curto-circuito encontrada pelo programa de computador, assim como exige a norma IEEE Nem todos os equipamentos listados na tabela possuem energia incidente suficiente para gerar riscos aos trabalhadores que interagem com a instalação. Somente os equipamentos da unidade que possuem energia incidente superior a 1,2 cal/cm 2 podem oferecer riscos de queimaduras acima de segundo grau. Todas as placas de sinalização sobre os riscos de arco elétrico do estudo estão dispostas no apêndice deste estudo. São as mesmas que estão fixadas nos painéis das subestações da empresa. Portanto, o estudo para calcular a distância segura, a energia incidente e escolher a vestimenta mais adequada para proteção contra arco elétrico, tem como objetivo proteger os trabalhadores que interagem com a instalação elétrica, para evitar que o mesmo sofra danos prejudiciais e irreparáveis a sua saúde. Para que os trabalhadores da unidade em estudo possam trabalhar utilizando equipamentos de proteção individuais mais adequados contra o risco de arco elétrico nas

66 54 subestações, foram desenvolvidas placas de sinalização e fixadas em cada equipamento. As subestações já possuíam placas sinalizando o perigo de arco elétrico, porém apresentavam alguns pontos que não foram analisados no último estudo como: O tempo de atuação correta dos disjuntores, uma vez que se deve considerar o tempo de atuação do disjuntor, do relé e do fusível; O nível de corrente de curto-circuito correto, uma vez que anteriormente foi considerada a amplitude no 6 Ciclo, agora foi considerada a do 1 Ciclo, sendo essa maior que a anterior (Ver detalhes no anexo); Preocupação em tornar o aviso de EPI mais chamativo e adequado à norma. As placas de aviso que estavam nas subestações não apresentavam informações confiáveis e critérios de adequações sugeridos pelo Padrão de Engenharia da Alcoa 3270, a Figura 4.11 é um exemplo de aviso implantado pelo estudo anterior. Figura 4.9: Placa de aviso antes da realização deste estudo. (Fonte: Alcoa Juruti) Após um treinamento realizado pela FUPAI (Fundação de Pesquisa e Assessoramento à Industria) sobre arco elétrico foi possível conhecer melhor seus riscos e como se proteger deles. Foi realizada então uma revisão de todos os critérios necessários para o cálculo correto da energia incidente, foram desenvolvidos os novos avisos de sinalização de acordo com o Padrão de Engenharia da Alcoa A Figura 4.10 (Acervo pessoal) mostra um exemplo das novas placas presentes nas subestações, como pode ser notado essas novas placas são mais chamativas em relação às anteriores, e também possuem informações mais detalhadas.

67 55 Oferecendo ao trabalhador da empresa as informações mais adequadas e corretas para escolha da vestimenta e da distância segura de trabalho para cada painel. Fazendo uma comparação entre as duas placas de sinalização, pode ser observado que elas pertencem ao mesmo equipamento. Mas possuem informações de alerta divergentes. O último estudo recomendava para o equipamento S412-MCC-0002 uma roupa de proteção nível zero, informava então para o trabalhador da unidade em estudo, que o equipamento não possui nível de energia incidente suficiente para colocar em risco sua vida. Anteriormente, era utilizado EPIs de nível quatro em todas as manutenções, com esse tipo de EPI o trabalhador não estava exposto a risco com relação à energia incidente liberada pelo arco elétrico. Porém, essas vestimentas são bastante desconfortáveis e desnecessárias, além de causar estresse térmico, os EPIs superdimensionados podem causar novos tipos de riscos para quem está utilizando, como por exemplo, risco ergométrico. A Figura 4.10 mostra um trabalhador da empresa com a vestimenta de nível quatro. Figura 4.10: EPI nível quatro contra o risco de arco elétrico. (Fonte: Acervo pessoal) 4.11: EPI nível três contra o risco de arco elétrico. (Fonte: Acervo Pessoal) Na Figura 4.11 (Acervo pessoal) é possível notar o trabalhador do setor elétrico da empresa realizando uma manobra no painel com vestimenta de proteção de nível três. Comparando a vestimenta de nível quatro da Figura 4.10 com a vestimenta de proteção da

68 56 Figura 4.11 é possível notar explicitamente certo grau de flexibilidade da vestimenta com o grau menor de proteção. A segurança do trabalhador foi o principal foco do estudo, foco alcançado com sucesso e acrescentando mais outros ganhos para empresa. A indústria em estudo passa então a reduzir custos na compra de novos EPIs com menor grua de proteção, mas com o nível exato. Além de evitar que seus trabalhadores desenvolvam problemas ortopédicos no decorrer dos anos, devido à utilização de EPIs superdimensionados.

69 57 CAPÍTULO 5 CONCLUSÃO 5.1 Considerações Finais Durante o desenvolvimento desta pesquisa, foram analisados aspectos relevantes sobre a natureza e os riscos envolvendo arcos elétricos, sendo esses riscos extremamente danosos para as pessoas expostas a esse fenômeno. Devido à sua gravidade, o risco envolvendo arco elétrico é motivação para existência de uma série de normas internacionais, que buscam maneiras eficazes de mensurar os perigos do arco elétrico e propor a utilização de EPIs adequados, quando necessário. O Brasil ainda está carente de normas que tratem detalhadamente dos métodos empregados para estimativa da energia incidente, bem como normas para confecção e ensaio de vestimentas para trabalhos com risco de arco elétrico. Como é necessário mensurar os níveis de energia incidente para determinar a proteção correta para os trabalhadores, o trabalho descreveu os principais pontos das normas NFPA 70E e IEEE Nessas normas são estabelecidas equações que permitem estimar os valores de energia incidente através de métodos teóricos e métodos empíricos. O dimensionamento dos EPIs ocorreu conforme o disposto da NFPA 70E. Conforme visto no estudo a norma que serviu de referência foi a IEEE 1584, seguir os nove passos para o cálculo da energia incidente necessária para a determinação da vestimenta sugerida por ela é uma tarefa muito árdua, envolve um grande número de variáveis, que exige esforço muito grande de engenharia elétrica e da engenharia de segurança do trabalho. Pode-se concluir com este estudo que a determinação correta da vestimenta de proteção é uma tarefa complexa e que a vestimenta de proteção contra arcos elétricos deve ser o último recurso para proteger o trabalhador. Deve-se utilizar os recursos da engenharia elétrica para diminuir as correntes de curto-circuito, coordenar os dispositivos de proteção de forma a reduzir ao máximo o tempo de interrupção do arco, fabricar painéis resistentes à arcos elétricos, que neste contexto estarão atuando como equipamentos de proteção coletiva. As vestimentas de proteção devem ser um EPI que deve ser minuciosamente determinada por uma equipe multidisciplinar, e deve levar em conta não só as variáveis elétricas como também os agentes físicos (calor), e ergonômicos (desconforto), pois os danos causados ao trabalhador são muitas vezes irreparáveis.

70 58 Por fim, o estudo foi de grande importância para a indústria em questão, pois nas subestações da empresa os eletricistas utilizavam somente EPIs de nível quatro, ou seja, com o estudo comprovou-se que essas proteções estavam superdimensionadas. Outro fator importante foi a atualização das placas de sinalização. Hoje elas estão de acordo o Padrão de Engenharia da Alcoa 32.70, além de possuírem informações mais confiáveis. Vale ressaltar que esse estudo faz parte de um dos itens cobrados em auditorias, o mesmo vinha sendo uma não conformidade da planta. Como ele foi realizado antes da auditoria em novembro de 2013, pode então ajudar na conquista da nota alta. Além de não ter sido necessário contratar uma empresa de consultoria para realizar o estudo de arco elétrico, evitando assim mais de R$ ,00 em despesas. 5.2 Trabalhos Futuros Utilização do programa de computador Etap Thinking Power para realização de todo o estudo novamente. A empresa já possui os direitos do programa e futuramente esse estudo será refeito. Fazer uma análise crítica tanto da norma da NFPA 70E e da IEEE 1584, com intuito de apresentar suas limitações e possíveis incoerências. Realizar pesquisas de campo dentro da empresa para verificar os desconfortos térmicos e ergonômicos causados pelas vestimentas. Realizar pesquisa com estatísticas envolvendo acidentes com arcos elétricos, pois atualmente no Brasil temos esta carência. Proposta para elaboração de uma NR que trate a questão específica do arco elétrico.

71 59 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Norma Brasileira ABNT NBR 5410 Instalações elétricas de baixa tensão, [2] Norma Brasileira ABNT NBR Proteção contra incêndio em subestação, [3] Ministério do Trabalho e Emprego. Norma Regulamentadora n.10 (NR-10), Segurança em instalações e serviços em eletricidade. Brasília, [4] Aguinaldo Bizzo de Almeida e Reyder KnupfernGoecking - Manual técnico sobre vestimenta de proteção ao risco de arco elétrico e fogo repentino, [5] NFPA 70E. Standard for electrical safety requirement for employee worplace, [6] R.H. Lee The other electrical hazard: Electric arc blast burns. IEEE Transactions on industrial applications, Junho, [7] B. Jackson An alternative approach to mitigate the catastrophic impacto of arc flash explosions, Abril, [8] Ministério do Trabalho e Emprego. Norma Regulamentadora n.6 (NR-6), Segurança em instalações e serviços em eletricidade. Brasília, [9] Tomiyoshi, L.K. Arcos elétricos proteção contra queimaduras, estimativa de energia e determinação da proteção. Trabalho técnico, [10] IEEE Std IEEE Guide for performing arc-flash hazard calculations, [11] Queiroz, Alan Romulo Silva Utilização de relés digitais para mitigação dos riscos envolvendo arco elétrico / ARS Queirroz. São Paulo, p. [12] Padrão de Engenharia da Alcoa 32.70, junho de [13] Fábio da Costa Souza Vestimenta de proteção contra queimaduras por arcos elétricos para trabalhadores que atuam em instalações e serviços em eletricidade São Paulo, p. [14] ASTM-F-1959/F1959M. Standart test method for determining the arc termal performance value of materials for clothing, [15] IEC Live working-flame resistant materials for clothing for thermal protection of works Thermal hazard of an electric arc- Part 1- Test methods, 2002.

72 60 [16] CENELEC ENV Electrical test methods for materials and garments for use by workers at risk from exposure to an electric arc, [17] Jean Soares Choucair Cálculo da energia incidente para escolha adequada da vestimenta de proteção ao arco elétrico Juiz de Fora, p. [18] Mina de bauxita de Juruti documento ALCOA n J26-ES-947B-70-CON-0009 Engenharia Detalhada 2,6 MTPA Mina de bauxita Juruti Beneficiamento e Porto Distribuição de energia elétrica do beneficiamento Estudo de curto-circuito beneficiamento. Relatório Técnico. Setembro, [19] Mina de bauxita de Juruti documento ALCOA n J26-ES-977P-70-CON-0002 Engenharia Detalhada 2,6 MTPA Mina de bauxita Juruti Beneficiamento e Porto Distribuição de energia elétrica do porto Estudo de curto-circuito porto. Relatório Técnico. Setembro, 2008.

73 61 ANEXOS Anexo A: Diagramas de Impedância de Sequência Positiva das Plantas do Porto e Beneficiamento

74 62

75 63 Anexo B: Níveis de Curto-circuito Trifásico para Cada Condição Operacional do Beneficiamento e do Porto Níveis de Curto Circuito (ka) Barramento Tensão (kv) Condição 1 Condição 2 Condição 3 Condição 4 1 o ciclo 6 o ciclo 1 o ciclo 6 o ciclo Mínimo Eventual 110B SE110B 13,8 3,528 2,866 2,595 2,198 0,466 0, B SE112B 13,8 3,527 2,865 2,595 2,198 0,466 0, QM01 13,8 3,420 2,790 2,542 2,162 0,464 0, MC01 4,16 4,868 3,959 4,416 4,154 1,214 0, MC02 0,48 13,032 12,070 12,549 11,605 6,776 3, QM01 13,8 2,998 2,519 2,309 1,994 0,458 0, MC01 4,16 2,334 2,144 2,196 2,014 0,980 0, MC02 0,48 11,662 11,369 11,210 10,922 6,698 3, QM01 13,8 3,512 2,854 2,588 2,192 0,466 0, MC01 4,16 2,609 2,285 2,459 2,145 0,991 0, MC02 0,48 32,993 29,965 29,774 27,073 10,366 4, MC03 0,48 32,996 29,959 29,777 27,069 10,365 4, MC04 0,48 29,807 26,493 27,377 24,294 9,810 4, QM01 13,8 3,344 2,751 2,499 2,132 0,464 0, MC01 4,16 2,212 2,120 2,072 1,986 0,989 0, MC02 0,48 12,467 11,836 11,993 11,371 6,750 3,609

76 64 651QM01 13,8 3,423 2,800 2,539 2,160 0,465 0, QD01 0,48 22,008 20,969 20,420 19,467 9,094 4, MC01 0,48 18,953 18,192 17,774 17,061 8,560 4, MC02 0,48 20,387 19,501 19,022 18,201 8,821 4, BC01 0,48 20,607 19,700 19,212 18,374 8,859 4, QM01 13,8 3,185 2,627 2,422 2,062 0,460 0, MC01 4,16 4,226 3,406 3,904 3,126 1,146 0, MC02 0,48 8,309 7,822 8,111 7,622 5,186 3, QM01 13,8 2,069 1,803 1,758 1,598 0,431 0,166 S MC01 4,16 3,793 3,213 3,502 3,333 1,146 0, MC02 0,48 6,451 6,349 6,331 6,256 4,630 2,929

77 65 SE Barramento Tensão (kv) Níveis de Curto Circuito (ka) Condição 1 Condição 2 Condição 3 1 o ciclo 6 o ciclo 1 o ciclo 6 o ciclo Mínimo 110P 110QM01 13,8 2,094 1,684 1,230 0,820 0, P 112PQ01 13,8 2,094 1,684 1,230 0,820 0,316 S QM01 13,8 2,062 1,657 1,226 0,816 0, MC01 4,16 3,654 3,006 2,825 1,984 0, MC02 4,16 3,823 2,904 3,094 2,013 0, MC03 0,48 11,338 10,837 10,047 8,802 5,523 S QM01 13,8 2,037 1,645 1,214 0,812 0, MC01 4,16 3,444 2,760 2,760 1,902 0, MC02 0,48 11,113 10,639 9,864 8,670 5,478 S QM01 13,8 2,077 1,673 1,225 0,817 0, QD01 0,48 17,338 15,716 14,655 11,839 6, MC01 0,48 16,285 14,829 13,911 11,342 6, MC02 0,48 16,224 14,756 13,873 11,304 6,303 S QM01 13,8 1,957 1,599 1,186 0,802 0, MC01 0,48 16,396 15,141 13,887 11,464 6,413

78 66 APÊNDICE Placas de Sinalização de Todos os Painéis Estudados

79 67

80 68

81 69

82 70