APLICATIVO DE CÁLCULO PARA DETERMINAÇÃO DE ENERGIA INCIDENTE Autores José Eduardo Chaves Costa (42049633) José Nunes dos Santos Júnior (962334.8) Petrobras/Unidade de Negócios Sergipe e Alagoas
RESUMO A Norma Regulamentadora número 10 (NR10) do Ministério do Trabalho e Emprego exige que as vestimentas dos trabalhadores estejam adequadas às características da instalação elétrica, quanto à condutibilidade, influências eletromagnéticas e inflamabilidade. Esta NR também exige que as instalações tenham sinalizações de restrições de acesso, por não utilização de equipamentos de proteção adequados. Para especificação adequada destas vestimentas, é necessário determinar a energia incidente liberada por um arco elétrico durante uma falta na instalação elétrica. A norma americana IEEE 1584/2002 IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations determina quais são os parâmetros para o cálculo energia incidente liberada por um arco elétrico e da distância segura de aproximação de determinada instalação sem vestimenta adequada. Com base nestas informações criamos o aplicativo calculador de estimativa de energia incidente, que facilita o cálculo da energia incidente das instalações elétricas. Este software é capaz de fazer os cálculos citados na norma IEEE 1584/2002, da corrente de arco, de energia incidente e distância segura de aproximação, fornecendo também as sinalizações para tais instalações.
INTRODUÇÃO OBJETIVO Apresentar e orientar quanto ao aplicativo calculador de estimativa de energia incidente, criado para facilitar os cálculos de corrente de curto circuito por arco elétrico, energia incidente liberada pela corrente de arco elétrico e distância segura de aproximação da instalação, sem vestimenta apropriada, demonstrando também o embasamento técnico utilizado para formatar as funcionalidades do aplicativo. REQUISITO LEGAL Em 7 de dezembro de 2004, com a assinatura do presidente da república,da portaria nº. 598 do ministério do trabalho e emprego, entrou em vigor a versão vigente da norma regulamentadora nº. 10 - Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade, que estabelece os requisitos e condições mínimas objetivando a implantação de medidas de controle e sistemas preventivos que garantem a segurança e a saúde dos trabalhadores, que interajam em instalações elétricas e serviços com eletricidade. Nesta NR, é citado no item 10.2.9.2 que As vestimentas de trabalho devem ser adequadas às atividades, devendo contemplar a condutibilidade, inflamabilidade e influências eletromagnéticas.. Para a observância desta lei, as vestimentas dos trabalhadores que interagem em determinado sistema elétrico devem ter a capacidade de proteger os trabalhadores dos efeitos térmicos oriundos das correntes de curtocircuito por arco elétrico. Ainda mais, no item 10.10 diz que nas instalações e serviços em eletricidade deve ser adotada sinalização adequada de segurança, destinada à advertência e à identificação, obedecendo ao disposto na NR-26 - sinalização de segurança, de forma a atender, dentre outras, as situações a seguir: c) Restrições e impedimentos de acesso; d) Delimitações de áreas; exigindo-se que exista sinalização de restrição e impedimento de acesso a trabalhadores que não possuam equipamentos de proteção individual adequados para aquela instalação elétrica, incluindo vestimentas contempladas no item da norma citado anteriormente. Neste mesmo sentido, é obrigatório que haja delimitação de área próximas a equipamentos elétricos, em que haja risco de queimadura causada pelos efeitos térmicos oriundos das correntes de curto-circuito por arco elétrico, solicitando que as pessoas permaneçam fora desta área, a não ser que estejam com equipamentos de proteção adequados. A norma Petrobras N-2830 Critérios de Segurança Para Ambientes e Serviços em Painéis e Equipamentos Elétricos com Potencial de Arco Elétrico retrata a especificação das vestimentas e das sinalizações que devem existir para o atendimento a NR10. Assim, o aplicativo calculador de estimativa de energia incidente tem um papel importante, pois produz informações vitais para o atendimento dos requisitos citados acima.
DESENVOLVIMENTO EMBASAMENTO TÉCNICO A norma americana NFPA 70E/2004 - Standard for Electrical Safety In the Workplace, da National Fire Protection Association, no artigo 130, descreve as justificativas para trabalhos em, ou, próximos a condutores energizados, definindo quais são os requisitos para permissão de trabalhos desta natureza. Entre estes requisitos, são citados os seguintes: (3) A description of the safe work practices to be employed [110.8 (B)] - (Descrição de práticas seguras de trabalho que serão empregadas); (6) Results of the flash hazard analysis (130.3) - (Resultados de analises de perigo de arco elétrico); (7) The Flash Protection Boundary [130.3(A)] - (Determinação de Limites de proteção contra arco elétrico); (8) The necessary personal protective equipment to safely perform the assigned task [130.3(B), 130.7(C)(9), and Table 130.7(C)(9)(a)]) - (Necessário uso de equipamentos de proteção individual para execução segura de determinada tarefa). A norma americana do IEEE (The Institute of electrical and electronics Engineers inc) - 1584/2002 IEEE Guide for performing - Arc-Flash Hazard Calculations traz o método para análise do sistema e o modelo para cálculo da energia incidente, suprindo as necessidades criadas pelos itens citados acima da NFPA 70E. A IEEE-1584/2002, determina como passo inicial a coleta de dados da instalação e do sistema elétrico, que corresponde aos dados de diagramas unifilares detalhados (Número de condutores por fase, material, bitola e comprimento dos condutores dos circuitos, capacidade nominal de condução de corrente, tipo de resfriamento dos transformadores, capacidade do transformador com resfriamento natural, capacidade do transformador com resfriamento forçado, impedância do transformador (%), Tensão nominal dos enrolamentos, tipo de ligação dos enrolamentos, quantidade de derivações dos enrolamentos, variação da tensão nas derivações em relação à tensão nominal), dos dados dos estudos de curtocircuito (Impedância de seqüência zero para transformadores, impedância nominal de seqüência positiva dos cabos e transformadores, distância entre condutores, temperatura do condutor carregado, geometria do condutor e espaçamento entre condutores) e estudos de coordenação de relés. Estes dados são essenciais para determinar as características constantes na análise dos perigos do arco elétrico, como por exemplo: Corrente de curto-circuito por arco elétrico, energia incidente liberada pelo arco elétrico e distância segura de aproximação do ponto do arco elétrico. Estas características acima citadas são determinadas por meio de cálculos citados no item 5 Model for incident energy calculations (Modelo de cálculo para energia incidente) na norma IEEE 1584/2002. Este modelo de cálculo determinado na IEEE 1584/2002 é derivado de análises estatísticas de ensaios e testes que tentam reproduzir uma situação real de arco elétrico. Estes ensaios e testes foram realizados nas seguintes condições:
Tensão entre 208 e 15.000 V trifásico; Freqüência de 50 Hz e 60 Hz; Corrente de curto circuito sólido entre 700 A e 106.000 A; Aterramento de sistema sólido e isolado com e sem resistência; Arco dentro do invólucro de equipamentos e em locais abertos; Espaçamento entre condutores entre 13 mm e 152 mm; Curtos circuitos trifásicos. O cálculo para determinação da corrente de curto-circuito por arco elétrico, para aplicações em sistemas elétricos com tensão nominal menor que 1000V: Log I a = K + 0,662*Log I bf + 0,0966*V + 0,000526*G + 0,5588*V*(Log I bf ) 0,00304*G*(Log I bf ) Onde: Log Logaritmo na base 10; I a Corrente do arco elétrico (ka); K (- 0,153) para configuração aberta (sem invólucro); (- 0,097) para configuração em caixa fechada; I bf Corrente presumida de curto circuito sólido trifásico simétrico valor rms (ka); V Tensão do sistema (kv); G Distância dos condutores (mm) ver tabela I Para sistemas com tensão nominal entre 1000 V e 15000 V, deverá ser aplicado o seguinte cálculo:, sendo que I a = 10 Log Ia Log I a = 0,00402 + 0,983* Log I bf O cálculo de energia incidente passa por duas equações: Energia incidente normalizada (para tempo de arco de 0,2s e distância do ponto do arco até a pessoa de 610 mm): Log En Então: E n = 10 E n K 1 Log E n = K 1 + K 2 + 1,081*(Log I a ) + 0,0011*G Onde: Energia incidente (J/cm2) para tempo de 200 ms e distância de 610 mm. (- 0,792) para configuração aberta (sem invólucro) (- 0,555) para configuração em caixa fechada
K 2 ( 0 ) para sistema isolado e aterrado por alta resistência (- 0,113) para sistema solidamente aterrado G É a distância dos condutores em mm (barramento) ver tabela 1 Energia incidente convertida da normalizada: E = 4,184*C f *E n *(t/0,2)*(610 x /D x ) Onde: E É a energia incidente (J/cm2); C f É o fator de cálculo; o 1,5 para tensão igual ou menor do que 1 kv; o 1,0 para tensão acima de 1 kv; E n É a energia incidente normalizada; t Tempo do arco (segundos); D Distância do ponto do arco (mm); x É o expoente de distância (ver tabela 1). Tabela 1 - Fator de distância pelo nível de tensão e tipo do equipamento Tensão do sistema (kv) Tipo do equipamento Distância típica entre condutores Fator de distância 0.208-1 Condutores nus 10-40 2 Disjuntor 32 1.473 Painéis e CCM 25 1.641 Cabos isolados 13 2 >1-5 Condutores nus 102 2 Disjuntor 13-102 0.973 Painéis e CCM 102 0.973 Cabos isolados 13 2 >5-15 Condutores nus 13-153 2 Disjuntor 153 0.973 Painéis e CCM 153 0.973 Cabos isolados 13 2 Existem situações onde operações com risco de arcos são realizadas por uma única pessoa, e os demais elementos da equipe de trabalho podem e devem estar afastados da zona de risco, evitando assim a exposição ao risco de queimadura. Por causa destas situações, a norma IEEE 1584 traz um modelo de cálculo para determinação da distância segura de aproximação, demonstrada abaixo: D b = [4.184*C f *E n *(t/0.2)*(610 x /E b )] 1/x Onde:
D B Distância de aproximação em mm; C f É o fator de cálculo; o 1,5 para tensão igual ou menor do que 1 kv; o 1,0 para tensão acima de 1 kv; E n É a energia incidente normalizada; E B Energia incidente em J/Cm 2 ; T Tempo em segundos; X Expoente de distância; Corrente de curto circuito sólido. I bf Estas equações foram utilizadas para criação do aplicativo calculador de estimativa de energia incidente. O APLICATIVO O aplicativo objeto deste trabalho, de fácil utilização, criado em ambiente de desenvolvimento Visual Studio, na plataforma C#, facilita a aquisição dos resultados dos cálculos citados na norma IEEE-1584/2002, da corrente de curto-circuito por arco elétrico, da energia incidente e da distância segura de aproximação. Abaixo mostra uma visão geral deste aplicativo: Onde:
1) Define a tensão em volts do sistema; 2) Define se configuração será aberta, ou seja, sem invólucro ou em caixa fechada; 3) Corrente presumida de curto circuito sólido trifásico simétrico (ka, rms); 4) Define o tipo equipamento usado definindo o expoente de distância usado; 5) É à distância dos condutores em mm (barramentos); Neste campo aparece uma tabela com os dados sugeridos pela norma IEEE 1584/2002, que indica as distâncias para cada tipo de equipamento, de acordo com o nível de tensão da instalação. 6) Define o tipo de sistema, se isolado e aterrado por alta resistência ou sistema solidamente aterrado; 7) Definido pelo campo Tensão : a) 1,5 para tensão igual ou menor do que 1kV; b) 1,0 para tensão acima de 1kV; 8) É tempo que a proteção leva para detectar, abrir e interromper o arco; 9) É distância do ponto de arco ao corpo do trabalhador, principalmente, seu tronco; 10) Expoente de distância determinado pelo tipo de equipamento selecionado; 11) Menu lateral que auxilia no cálculo da corrente de curto circuito. Este menu facilita a inserção do dado de curto-circuito trifásico, pois este menu estima o curto-circuito, considerando: um gerador de potência infinita, alimentando o transformador, trifásico, de impedância Z [%] e nenhuma impedância (cabo elétrico) entre o transformador e o ponto em curto. Ou seja, é estimado um nível de curtocircuito, no secundário de um TF, que tende a ser o máximo curto possível. O menu é demonstrado abaixo:
Onde: 1) Informar a potência do transformador em kva; 2) Informar a impedância do transformador. Nesse campo aparece uma tabela de valores para auxiliar o usuário. (figura da direita); 3) Botão Continuar para calcular a estimativa e voltar ao cálculo. Os botões de utilidades deste aplicativo são os seguintes: Botão Novo Limpa todo o formulário e o deixa pronto para um novo cálculo. Botão Imprimir Imprimir etiquetas de informação com os dados obtidos pelo cálculo; Neste botão imprimir, obteremos etiquetas, padronizadas na norma Petrobras N-2830, que contempla os dados obtidos nos cálculos realizados pelo aplicativo. Neste sentido, surge a necessidade de identificar o profissional habilitado e autorizado (Nome, Matrícula e Nº. do registro em conselho de classe), conforme NR-10, que será responsável pelos dados inseridos nesta etiqueta que fará parte da sinalização do equipamento elétrico em questão. Vale ressaltar que estes dados serão essenciais para a especificação dos EPIs que protegerão o trabalhador do efeito térmico causado pelo arco elétrico. Abaixo vai a figura que mostra os campos de inserção dos dados do profissional habilitado e autorizado:
Preenchido estes dados, será emita a etiqueta, conforme figura abaixo:
Pode-se observar que aparecem os dados do profissional habilitado e autorizado, de modo que tal etiqueta somente será válida com os dados deste profissional e a assinatura deste. Botão Fechar Fechar o programa; Botão Calcular Calcular os dados informados pelo usuário.
CONCLUSÃO Com a utilização do calculador de estimativa de energia incidente concluímos que atendemos as exigências legais e técnicas, com dados exatos e primorosos, num ambiente de fácil e rápida utilização. Esta ferramenta promove a segurança dos trabalhadores que intervirão nas instalações elétricas, pois alerta para estes trabalhadores qual a condição que os mesmos deverão atender, quanto à utilização de EPIs adequados e distância segura da instalação elétrica que esteja em intervenção, caso estejam sem EPIs. Este aplicativo cria também a possibilidade de se rastrear o criador da sinalização, de modo a exigir novos cálculos, se a instalação em questão for modificada.
REFERÊNCIAS LAKATOS, Eva Maria; MARCONI, Marina de Andrade. Fundamentos de metodologia cientifica. 3. ed. rev. e ampl. São Paulo: Atlas, 1991. 270 p; NFPA 70E-2004, Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces, National Fire Protection Association, 2004 edition; IEEE 1584-2004, IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. Second Edition; NR10, Norma Regulamentadora Do Ministério Do Trabalho E Emprego Número 10, Portaria Nº 598, De 7 De Dezembro De 2004; PETROBRAS N2830, Critérios De Segurança Para Ambientes E Serviços Em Painéis E Equipamentos Elétricos Com Potencial De Arco Elétrico. Norma de uso exclusivo nas Instalações Petrobras.