Arco elétrico na indústria petroquímica

abr, 2009

Edição 37, Fevereiro de 2009

Por David D. Shipp, William S. Vilcheck, Frank J. Angelini e Luiz Felipe O. Costa

“Arc-flash”: uma abordagem prática para análise e redução dos riscos associados à ocorrência de um arco elétrico em conjuntos de manobra e controle de baixa e média tensão.

A indústria petroquímica, como tantos outros segmentos produtivos, utiliza, em suas instalações elétricas, conjuntos de manobra e controle (CDC), tais como Centros de Controle de Motores (CCM) e Centros de Distribuição de Cargas (CDC), tanto em baixa tensão (BT) quanto em média tensão (MT), para suprir as necessidades de distribuição e controle de energia elétrica em seus parques industriais. Estes equipamentos se encontram, muitas vezes, instalados em barras do sistema elétrico onde estão presentes pontos com altos níveis de energia associados às descargas por arco elétrico. Em face disso, as etapas relativas ao projeto, à instalação, ao comissionamento, à operação e à manutenção dos equipamentos requerem cuidados especiais relativos à segurança humana e patrimonial.


Muitos setores já reconhecem a real importância da identificação e da prevenção dos riscos associados à ocorrência de arcos elétricos e, por conta disso, vêem, não somente, a necessidade de se quantificar os níveis existentes de energia incidente no ponto da instalação, como também de estabelecer programas de segurança com uso de etiquetas informativas dos valores de energia e requisitos específicos de Equipamentos de Proteção Individual (EPI) para realização de trabalho de intervenção. Porém, muitas vezes, os valores encontrados mostram-se incompatíveis com condições seguras de trabalho. Em outras palavras, a abordagem do problema não se encerra simplesmente com o fim do cálculo da energia incidente e a conseqüente categoria de risco em que se devem enquadrar os requisitos de um EPI.

Primeiramente, é fundamental se identificar os níveis reais de energia disponível no ponto de aplicação do equipamento para, então, se iniciar a análise dos métodos a serem adotados na prevenção e mitigação de seus efeitos.

Um acidente em um equipamento resulta em muitos transtornos e em custos consideráveis, sendo o maior preço, muitas vezes, pago pelo trabalhador que se encontra incumbido de intervir diretamente no equipamento. Por conta disso, o conhecimento do estado da arte de projeto e de uso de conjuntos de manobras e controle permite diminuir as chances de ocorrência de arcos internos e mitigar os seus possíveis efeitos, aumentando as probabilidades de salvaguardar a vida humana. Desse modo é preciso, cada vez mais, fornecer diretrizes e ferramentas que permitam aos engenheiros responsáveis pela especificação e implantação de novos conjuntos de manobra e controle, e a modernização de unidades já existentes ou que tenham sofrido danos oriundos de falhas, terem condições de analisar e discutir quais as opções e recomendações disponíveis atualmente.

Visando, então, auxiliar os responsáveis pela tomada de decisão sobre o que fazer frente aos riscos presentes em uma atividade com possibilidades de incidentes por arco elétrico, serão apresentadas sugestões e métodos que visam à melhoria das condições de trabalho, nas quais o eletricista deverá efetuar uma atividade, as opções para redução dos níveis de energia incidente, especialmente nos casos em que estes valores se encontram acima de 40 cal/cm2 e a definição de métodos para prevenção ou redução de riscos associados à ocorrência de falhas. Serão descritos várias filosofias disponíveis atualmente, como:

• Conjuntos de manobra e controle resistentes aos efeitos de arco interno.
• Conjuntos de manobra e controle com limitação dos níveis de energia associados a um arco elétrico, por filosofia pré-definida da limitação de correntes de falha ou pelo uso de dispositivos redutores de níveis de energia relacionada a arco.
• Conjuntos de manobra e controle com segurança aumentada e técnicas de redução de risco de acidente por meio de limitação de possíveis causas de arco interno.
• Uso de monitoramento contínuo e ferramentas de diagnóstico preditivo.
• Modificações nas filosofias de proteção contra sobrecorrente.
• Modernização de instalações existentes.
• Alterações nos métodos de trabalho de operação e manutenção.

Cenário atual
A própria definição de risco dos perigos de descarga por arco elétrico apresentada pela Associação Nacional (dos Estados Unidos) para Proteção contra Incêndios (NFPA) indica que esta é “uma condição perigosa associada à liberação de energia causada por um arco elétrico”. Assim, toda a abordagem desenvolvida pela NFPA 70E-2004 e pela IEEE Std. 1584-2002 enfoca o conceito de energia e o cálculo de quantificação de sua parte térmica. Ou seja, a análise se concentra no calor que está associado à energia liberada quando de um evento de arco elétrico.

A energia incidente no ponto é definida como “a quantidade de energia imposta em uma superfície, a certa distância da fonte, gerada durante a ocorrência de um arco elétrico”. As unidades comumente utilizadas para se medir a energia incidente são:

• calorias por centímetro quadrado (cal/cm2), a mais comum encontrada na literatura técnica disponível.
• joules por centímetro quadrado (J/cm2), em que a unidade de energia segue o SI.

Assim, dentro dessa linha, os estudos visam primeiramente determinar o nível de energia térmica em cal/cm2 e, então, informar qual o nível de risco que existe para os profissionais que ficarão expostos durante atividades e serviços envolvendo eletricidade.

Uma questão levantada, algumas vezes, é quando um trabalhador pode vir a ficar exposto aos riscos de um arco elétrico. Na verdade é qualquer oportunidade em que se esteja trabalhando em um equipamento energizado ou próximo a ele. Alguns exemplos seriam:

• medições de qualidade de energia
• leituras de inspeção termográfica
• manutenção e operação de conjuntos de manobra e controle
• pesquisa de defeitos e falhas em equipamentos

Assim, toda vez que for definido que um trabalhador irá atuar dentro de uma zona de proteção contra descarga elétrica, é necessária a análise de riscos de arco elétrico. Com os valores estimados com base na atividade a ser exercida ou obtidos por meio de cálculos, são definidas as categorias de riscos conforme faixas de valores dos níveis de energia incidente. Seguindo, então, uma diretriz de se prevenir ou limitar os ferimentos ao ser humano, são definidas as vestimentas, os EPIs e os EPCs (proteção coletiva) apropriados, além das práticas e distâncias seguras de trabalho para o local em que a atividade será exercida.

Apesar de, tanto a NR 10 (conforme mostrado na figura 1) quanto a NFPA 70E estabelecerem distâncias mínimas para evitar a eletrocução (choque elétrico) provocado por um arco estabelecido no ar em condições de perturbação deste dielétrico, elas não englobam, obrigatoriamente, as distâncias seguras contra os efeitos resultantes de um arco elétrico. O fato é que a distância mínima para proteção contra os efeitos de um arco elétrico pode ser maior ou menor do que a definida para zona livre de choque elétrico. Daí a necessidade de se adotar a prática de análise de riscos associados aos perigos de um arco elétrico.

Legenda:
Rr: Raio circunscrito radialmente de delimitação da zona de risco
Rc: Raio circunscrito radialmente de delimitação da zona controlada
ZL: Zona livre
ZR: Zona de risco, restrita a profissionais autorizados e com a adoção de técnicas e instrumentos apropriados de trabalho
ZC: Zona controlada, restrita a profissionais autorizados
PE: Ponto da instalação energizado
SI: Superfície construída com material resistente e dotada de dispositivos e requisitos de segurança

Para efeitos informativos, as seguintes temperaturas são utilizadas como valores de referência:

• Pele humana – queimadura curável: 80 °C
• Pele humana – morte de células: 96 °C
• Ignição de roupas: de 400 °C a 800 °C
• Queima contínua de roupas: 800 °C
• Partículas de metal derretido provenientes de um arco elétrico: 1.000 °C
• Superfície do Sol: 5.000 °C
• Arco elétrico (nos pontos de origem): 20.000 °C

Aqui cabe lembrar que, por definição, uma caloria é a energia necessária para se elevar um grama de água em um grau Celsius, na pressão de uma atmosfera. O valor de 1,2 cal/cm2 de energia calorífica pode provocar queimaduras de segundo grau.

A seguir é apresentada uma tabela com os requisitos básicos das vestimentas a serem usadas em serviços de eletricidade:

[Tabela 1 – Categoria de riscos: Requisitos para EPI]
Em suma, a análise de risco de arco determina o nível de energia térmica liberada por um arco elétrico dentro das piores condições que possam existir no sistema. A NFPA 70E requer que tais análises sejam feitas sempre que um trabalhador possa ficar exposto a circuitos que estejam energizados com tensões maiores que 50 V.

Condições típicas de risco
A energia incidente num ponto proveniente de um arco elétrico depende fundamentalmente dos seguintes fatores:
• Corrente de falta presumida no ponto
• Tempo de eliminação da falta para as condições de arco
• Distância entre o trabalhador e ponto de arco

Outros fatores que afetam, em menor escala, os níveis de energia disponíveis num ponto são:
• Tensão de operação
• Distância entre eletrodos
• Tipo de aterramento do neutro do sistema elétrico

Partindo dessas definições, em uma primeira abordagem, um profissional poderia ser levado a crer que os locais com maior risco para trabalho em equipamentos energizados são aqueles com valores altos de curto-circuito e com tempos totais de interrupção altos. Porém, a realidade é mais complexa e exige outros cuidados.

A fim de nos permitir entender a extensão das variáveis envolvidas, vamos tomar, como exemplo, as conexões do secundário de transformadores. Nestas condições, uma falha, que ocorra entre os terminais secundários e o elemento de manobra e proteção principal a jusante, deve ser detectada e eliminada pela proteção no primário do mesmo transformador. Nesta condição, para unidades ou bancos trifásicos, ligados em “triângulo- estrela aterrado”, conforme o tipo de falta (fase-terra, fase-fase), haverá casos com valores reduzidos de corrente de curto-circuito refletidos no primário que, em função da proteção adota, podem nos levar a tempos altos de resposta para eliminação da falha.

Um fusível primário neste contexto pode vir a ter tempos de interrupção maiores que um segundo, o que nos levaria a valores de I2t que podem comprometer a segurança. Outro exemplo claro da complexidade da análise surge quando nos deparamos com a proteção de
sobrecorrente para circuitos críticos como bombas de incêndio, em que a maior preocupação é manter, o máximo possível, o tempo de operação do equipamento.

Por fim, existe o fato de termos, devido aos ajustes que são adotados para a coordenação e seletividade das proteções, tempos de eliminação de faltas cada vez mais altos à medida que nos aproximamos do ponto inicial da instalação (entrada da concessionária, ramal principal de alimentação, etc.).

ENERGIA LIBERADA POR UM ARCO ELÉTRICO

O perigo associado à liberação intempestiva de um arco elétrico é muito grande. Um profissional exposto as riscos de tal evento se encontra sujeito às diversas formas de energia liberadas pelo arco. Elas incluem tipos como: elétrica, térmica, acústica, química, radiação e mecânica. E todas se manifestam de alguma forma física:

• calor intenso
• liberação de gases e nuvens tóxicas
• lançamento de partes e peças
• projeção de materiais derretidos (cobre, alumínio, etc.)
• barulho excessivo (existem registros de níveis de ruído acima de 120 dB) provocado pela expansão supersônica do ar
• ignição de produtos circundantes, como poeiras, gases e vapores inflamáveis
• ondas de pressão

Um exemplo muito claro do aumento da preocupação com a segurança do profissional que possa vir a ter que atuar em áreas próximas a um conjunto de manobra ou operar diretamente um disjuntor de potência é a necessidade de comprovação de operação segura destes equipamentos dentro do contexto de falha: atuação adequada do elemento de proteção contra curto-circuito – SCPD dentro do seu respectivo compartimento, quando há operações de interrupção trifásica e monofásica em condições de falta. Este enfoque da NBR IEC 60439-1 passou a garantir que, por exemplo, um disjuntor ensaiado e aprovado nas condições definidas pela NBR IEC 60947-2, demonstrasse, também, uma operação segura, quando instalado dentro de um invólucro.

Isto veio ao encontro da antiga preocupação de se eliminar a possibilidade de transferência do curto-circuito para fora do SCPD, quando da atuação deste. Tanto a experiência de campo quanto a literatura registram casos como, por exemplo, da aplicação de disjuntores em configurações que não apresentavam espaço suficiente para eliminação segura de gases ionizados das suas respectivas câmaras de extinção. Fato este que levava a transferência do ponto de curto-circuito para antes do elemento de manobra, com consequentes danos, muitos dos quais, intempestivos.

[Figura 3 – Evento de um arco elétrico] No que diz respeito aos conjuntos de manobra e controle, deve-se atentar para o fato de que a maioria dos acidentes ocorre quando há intervenção neles, ou seja, com as portas ou anteparos abertos; o que vai contra a própria essência da análise da adequação de um conjunto de manobra quanto à sua classificação IAC (Internal Arc Classification). É importante também lembrar que muitas atividades de operação ou manutenção ocorrem, de fato, muito próximas do ponto focal de energia incidente. Assim, muito além da preocupação de como um conjunto de manobra e controle deva se comportar frente a um evento de arco interno, deve existir, por parte dos responsáveis pela especificação e fornecimento de conjuntos de manobra e controle, uma abordagem efetiva na prevenção das causas de falha e na mitigação dos riscos de exposição de um trabalhador aos efeitos produzidos por um eventual arco.

Calor e q
ueimaduras
Os fabricantes e fornecedores de tecidos e roupas do tipo “FR” (“Flame Retardant” – Retardante de Chama) têm, cada vez mais, desenvolvido e disponibilizado soluções para sistemas de EPI com a capacidade de limitar possíveis queimaduras  de um usuário às do tipo ditas de 2º grau, caso o mesmo seja submetido a um evento de liberação de energia por arco elétrico.

Ondas de pressão
A onda de pressão gerada por uma explosão devida a um arco elétrico está relacionada à corrente de curto-circuito e à distância entre o ponto medido e o arco, não sendo afetada pelo tempo de eliminação da falha. Essa onda estabelece forças capazes de provocar quedas e ferimentos em um trabalhador, com consequências, às vezes, mais sérias do que às associadas a queimaduras. Traumas provocados por estes eventos podem não ser diagnosticados facilmente, numa triagem preliminar, devido à ausência de ferimentos externos. Dessa forma, danos ao cérebro, pulmões, ouvidos, fígado, baço e outros órgãos humanos podem ocorrer sem uma evidência externa clara como aquelas associadas a queimaduras ou a choques elétricos.

Logo, pelo que foi exposto nos dois tópicos acima, fica clara a importância do uso de proteções por barreiras físicas como meio de mitigar efeitos de um arco elétrico. O uso de roupas adequadas limita e previne queimaduras associadas a um arco. Outra abordagem é o uso de barreiras físicas, propriamente ditas, aplicadas aos conjuntos de manobra e controle como forma de reduzir os riscos de queimaduras e de proteção contra ondas de pressão provenientes de um acidente por arco elétrico. Notadamente o uso de compartimentação, tanto em CMC de média ou baixa tensão, conforme as recomendações presentes nas normas técnicas nacionais (ABNT – NBR) quanto nas internacionais (IEC, ANSI/IEEE, NEMA). Outra melhoria é o uso de isolação em todas as partes vivas (onde for possível) a fim de reduzir a possibilidade de ocorrência de uma falha por arco. É também uma boa prática o uso de elementos extraíveis com guilhotinas automáticas isolantes ou metálicas automáticas presentes nas respectivas celas. E, não menos relevante, é a adoção de filosofia do uso de operações remotas, tanto de manobra e intervenção quanto da movimentação de partes extraíveis ou removíveis do conjunto de manobra e controle.

EXPOSIÇÃO AOS EFEITOS DO ARCO ELÉTRICO

Dentro da NFPA 70E, encontramos pontos relevantes ao uso de vestimentas anti-arco (“Flash Suits”):

1. Vestimenta anti-arco é um sistema completo de roupas e equipamentos resistentes a chama (“FR”) que recobrem completamente o corpo humano, com exceção de mãos e pés. No conjunto estão incluídos calça, casaco e capuz, do tipo usado por criadores de abelhas, com protetor facial.

2. É requerido o uso de capuz anti-arco para os casos enquadrados como categoria de risco 3 ou 4. Esta condição ocorre quando a energia incidente calculada para a tarefa é maior que 8 cal/cm2.

3. É requerido o uso de protetor facial ou capuz anti-arco para os casos enquadrados na categoria 2. Esta proteção deve atender o requisito de 8 cal/cm2, sendo que deve proteger não somente a face do operador, como também a testa, orelhas e pescoço. Isto se aplica para níveis compreendidos entre 4 e 8 cal/cm2.

Normalmente, os protetores faciais estão disponíveis na faixa de 10 a 17 cal/cm2. Um capuz anti-arco é requerido, geralmente, para níveis acima de 10 cal/cm2.

Estresse por calor
Os capuzes anti-arco cobrem completamente a cabeça do trabalhador dificultando a sua respiração (quando comparado com a situação sem o capuz). Capuzes com sistemas de ventilação estão disponíveis e aumentam o conforto do trabalhador quando comparados à versão sem ventilação, pois:

• Facilitam a respiração
• Apresentam um efeito de refrigeração devido à presença de corrente de ar fresco
• Reduzem a sensação de claustrofobia
• Reduzem o embasamento do visor e o suor nos protetores auriculares

Geralmente, para os níveis de energia incidente acima de 8 cal/cm2 são usadas duplas camadas de tecido tanto para os capuzes quanto para as roupas resistentes a chama. Com o uso destas duas camadas, existe o risco de aumentar o estresse por calor do trabalhador.

Este estresse por calor pode ser minimizado pela redução do tempo de uso do EPI. As atividades de trabalho devem ser planejadas de modo a minimizar o tempo de exposição ao risco de arco elétrico.

Ondas de pressão
A maioria das vestimentas e capuzes anti-arco é feitas com o objetivo principal de se proteger a pele do trabalhador contra queimaduras. Porém, as mesmas fornecem proteção limitada contra os perigos criados pelas
ondas de pressão:

• Ruído excessivo
• Partes e peças lançadas
• Aspersão de cobre derretido

Redução de visibilidade e destreza
O acabamento típico na cor verde dos visores de proteção e dos capuzes anti-arco pode distorcer as cores vistas pelo trabalhador. As cores mais afetadas são branco, amarelo, vermelho e azul. O ponto importante nesse caso é o fato destas quatro cores serem muito utilizadas na sinalização de estados e identificação de barramentos em conjuntos de manobra e controle.

As roupas multicamadas, comum nas vestimentas anti-arco, também reduzem a destreza do trabalhador, diminuem a sua mobilidade e limitam o alcance de seus braços e o uso das mãos.

SOLUÇÕES PARA A REDUÇÃO DA ENERGIA E MITIGAÇÃO DE SEUS POSSÍVEIS EFEITOS

Um trabalho de avaliação dos riscos associados a um arco elétrico nos diversos pontos de um sistema elétrico irá, muito provavelmente, mostrar pontos com altos níveis de energia incidente. Em muitos casos, este valor pode passar de 40 cal/cm2.

A escolha de tecnologias complementares à filosofia de segurança nos casos de conjuntos de manobra e controle é cada vez mais determinante no sucesso em se proteger a vida humana e preservar os bens materiais associados a uma instalação Nos casos em que eles estiverem associados a altos níveis de energia incidente, podem-se adotar várias abordagens para a redução destes níveis e a mitigação de seus efeitos, conforme apresentado a seguir.

Conjuntos de manobra e controle resistentes aos efeitos de arco interno
Apesar de não representarem uma solução definitiva para os problemas de intervenção direta aos compartimentos internos de um conjunto de manobra e controle, o uso de soluções do tipo AR (“Arc Resistant” – Resistente aos Efeitos de um Arco Interno), notadamente em média tensão, é cada vez mais usado. Esses tipos de CMC fornecem uma melhoria na segurança dos operadores e do pessoal circulando nas proximidades. A idéia por trás desses equipamentos é redirecionar a energia de modo a proteger o ser humano próximo. Esta solução se enquadra dentro de uma abordagem do tipo reativa, ou seja, a característica AR surge como uma reação a um arco interno que já tenha ocorrido.

Um ponto interessante a se destacar nestes casos é o fato de que, além de oferecer proteção aos efeitos térmicos do arco, um CMC – AR, graças aos seus sistemas de exaustão, vai ao encontro da preocupação crescente com as possíveis sequelas criadas por ondas de pressão.

[Figura 4 – CMC-AR com sistema coletor de gases durante o ensaio de verificação dos requisitos IAC] Outro ponto complementar, para o caso de CMC-AR (IAC), principalmente em média tensão, em que encontramos níveis de energia de arco maiores, deve ser a preocupação com os gases que vão surgir em decorrência do arco. Nenhuma norma para conjuntos de manobra e controle e instalações elétricas, tanto em média quanto em baixa tensão, avalia o possível escape de gases tóx
icos provenientes da queima dos materiais existentes internamente no painel. Daí, uma forte urgência em se considerar a forma de escape de gases para sua rápida remoção da sala onde se encontra instalado os equipamentos, evidenciando a necessidade de uso de dutos para guiar a maior quantidade possível desses subprodutos para fora do ambiente.

Apesar de todas as suas vantagens e possibilidades, o CMC-AR (IAC) ainda não representa a solução definitiva. Isto se deve ao fato de que a grande maioria dos acidentes em conjuntos de manobra e controle ocorre quando há intervenção nos mesmos, ou seja, com as portas ou anteparos abertos; o que vai contra a própria essência da análise da adequação de um equipamento quanto a sua classificação IAC (“Internal Arc Classification” – Classificação de Arco Interno).

[Figura 5 – CMC-AR com sistema coletor de gases (vista do duto de exaustão com direcionamento externo)] [Figura 6 – CMC-AR, mostrado na figura anterior (vista frontal do sistema)]

Esta solução é considerada do tipo qualitativo, visto que não definimos uma valor calculado para redução obtida na energia incidente.

Conjuntos de manobra e controle com limitação dos riscos de ocorrência de um arco elétrico
Muitas das atividades usuais de operação ou manutenção ocorrem próximas de pontos focais de energia incidente. Dessa maneira, muito além da preocupação de como um CMC vai se comportar frente a um arco interno, os profissionais responsáveis pela especificação e fabricação de conjuntos de manobra e controle devem ter uma abordagem pró-ativa da prevenção das causas de falha e da mitigação dos riscos associados aos efeitos produzidos pelo arco. No caso de equipamentos já existentes, mas que ainda não tenham sido instalados, um processo de adequação das modificações pertinentes deve ser discutido exaustivamente com o fabricante original e, conforme as possibilidades do projeto construtivo, permitir alterações que não afetem a validade dos ensaios de tipo para as demais características (por exemplo: elevação de temperatura, impulso atmosférico, etc.).

“Segregação de compartimentos, unidades e partes de um conjunto de manobra e controle”. Esta abordagem deve ser uma constante para os projetos novos. No caso de equipamentos existentes, mas que ainda não foram instalados, um processo de adequação das modificações pertinentes deve ser discutido com o fabricante original e, dentro das possibilidades do projeto construtivo, implantado.

a. Uso de Conjuntos de Manobra e Controle de Média Tensão: recomenda-se o uso LSC2B-PM ou LSC2B-PI. Pela NBR IEC62271-200, o uso do termo LSC (“Loss of Service Continuity”) se refere à categoria de perda de continuidade de serviço, definindo a interação entre compartimentos e unidades funcionais quando há a abertura de alguma porta ou barreira de um compartimento de potência. Em complemento a esta classificação, temos a classe de divisão PM que se refere ao uso de partições metálicas, inclusive para as guilhotinas, enquanto que PI se refere a partições isolantes.

b. Uso de Conjuntos de Manobra e Controle de Baixa Tensão: tem-se notado uma forte tendência no uso do conceito “Arc Free”, ou seja, uso de estruturas livres de riscos de ocorrência de arco internos. Isso tem sido obtido com o uso de estruturas com alta compartimentação (formas de separação mínima 3b, com preferência para 4a ou 4b, conforme a NBR IEC 60439-1), barramentos isolados, conexões isoladas ou separadas por barreiras e materiais isolantes com alta resistência ao fenômeno de rastreio e compatíveis com níveis de isolação necessários (distâncias de isolamento e de escoamento, além da tensão de impulso atmosférico, condizentes com a categoria de sobretensão e com o grau de poluição). Isto vai ao encontro do que está definido no documento da IEC “Technical Report IEC/TR 61641” (“Enclosed low-voltage switchgear and controlgear assemblies – Guide for testing under conditions of arcing due to internal fault”), cuja segunda edição foi reafirmada em janeiro de 2008; em que fica clara na seção “3.7” a definição para zonas livres de arco (“arc free zone”): parte de um circuito dentro de um conjunto de manobra e controle em que não é possível colocar um fio de ignição (para simulação de arco interno) sem a destruição do material isolante sobre os condutores.

Uso de barreira e dispositivos remotos [Figura 7 – Operação de movimentação de elemento de manobra extraível]
A movimentação de unidades extraíveis com as portas frontais fechadas ou com barreiras de interposição oferece proteção mecânica para a redução dos impactos térmicos e físicos gerados pela ocorrência de um arco. Nos casos de CMC com classificação IAC, esta é uma forma de melhorar a eficácia da segurança dos equipamentos, visto que assim se reduz a possibilidade de se ter um parte aberta no seu invólucro. Esta é uma abordagem qualitativa. Uma forma mais segura e que permite se quantificar é o uso de dispositivos que permitam o afastar o operador do painel durante estas atividades. Nestes casos, vários fabricantes de elementos de manobra ou empresas especializadas em serviços de manutenção têm ofertado versões com operação remota. Afinal, um dos elementos importantes na mitigação dos efeitos de um arco interno é manter o elemento humano fora da zona de risco.

[Figura 8 – Opção para operação remota de movimentação de elemento de manobra extraível] [Figura 9 – Modernização de um CMC para inclusão de operações remotas de movimentação de disjuntor, com a porta frontal fechada (uso de barreira)]

Além do processo de movimentação remota dos elementos de manobra, o uso de sistemas de operação e acesso remoto é fator determinante no aumento da segurança do pessoal de operação e engenharia, de manutenção ou de proteção. No passado já se usavam chaves, sinaleiros e indicadores remotos (por exemplo, por meio do uso de sinais de 4 mA a 20 mA). Mas, hoje em dia, graças aos diversos sistemas inteligentes de proteção e redes de campo, fica muito mais efetiva a interface remota para a manobra de dispositivos, leituras de grandezas e diagnósticos de unidades.

Diminuição dos valores da corrente presumida de curto-circuito e dos tempos de interrupção dos dispositivos de proteção a montante do ponto de intervenção
Nesta opção, a redução dos níveis de energia incidente é procurada pela redução dos valores da corrente de curto-circuito disponíveis e/ou diminuição do tempo de resposta das proteções. Esta abordagem envolve muito a figura do engenheiro de sistemas de potência, já que ele deverá interagir com o usuário a fim de entender as necessidades e as particularidades da instalação, seja ela nova ou existente. O processo é rico em opções e soluções. Algumas delas são comentadas a seguir.

1. Redução das correntes de curto-circuito: seguindo esta abordagem, as opções passam por: [Figura 10 – Reator limitador de corrente (valor de corrente limitado em 19 kA eficazes) instalado em CCM de baixa tensão]

a. Uso de reatores limitadores de corrente. Esta solução pode ser adotada tanto em projetos novos (atualmente várias plataformas usadas na bacia de Campos possuem esta filosofia) quanto em modernizações de instalações existentes.

[Figura 11 – Sistema instalado em vários CMCs de baixa tensão, tipo CDC, para quatro plantas petroquímicas na China]
b. Uso de sistemas aterrados por resistores de alto valor ôhmico. Muito comum em sistemas de potência em baixa tensão, visa limitar as correntes de falha entre os condutores de fase a terra. Desde que o fator de aterramento do sistema não gere sobretensões perigosas, representa uma boa opção já que
75% dos defeitos reportados são do tipo monofásico (falta a terra).

c. Uso de disjuntores e fusíveis limitadores de corrente.

d. Uso da filosofia de se manter os disjuntores de interligação abertos na operação das unidades com mais de uma entrada (alimentadores das barras não paralelados).

2. Diminuição dos tempos de respostas das proteções.
A solução ótima nesse contexto é aliar à redução dos valores das correntes de curto-circuito a diminuição dos tempos de reação dos dispositivos de proteção. Com os sistemas eletromecânicos convencionais, esta é uma tarefa quase impossível, ainda mais se levarmos em conta os requisitos de coordenação e a seletividade dos sistemas de proteção. Porém, isso pode ser contornado com a substituição dos sistemas antigos por unidades microprocessadas e numéricas. Com esta simples modificação, os tempos de tolerância entre ajustes de tempo podem ser reduzidos dos tradicionais 400 ms a 500 ms para faixas de 250 ms a 350 ms, já que não temos mais o fantasma do “overtravel” dos elementos a disco de indução e nem os problemas com mancais ou freios.

Outra vantagem é a melhor resposta, graças a algoritmos implantados em unidades numéricas, frente à possível saturação dos transformadores de corrente. Entretanto, o grande salto foi a ampliação do conceito de “Intertravamento Seletivo por Zonas” (“ZSI” – Zone Selective Interlock), presente já na década de 1990 em alguns fabricantes norte-americanos, para o que hoje se convencionou chamar de Seletividade Lógica. Este recurso tem sido muito difundido graças aos relés numéricos, que possuem entradas e saídas digitais associadas aos recursos programáveis por meio de lógica Booleana. Estes dispositivos, mais do que simples relés, são o que hoje se convencionou chamar de IED (“Intelligent Electronic Device” – Dispositivos Eletrônicos Inteligentes).

Estes tipos de relés são capazes de serem programados e de fazerem processamento de várias informações. Graças a estes recursos, estes dispositivos permitem que os tempos de respostas frente a defeitos possam ser menores. A idéia básica é que, em casos de faltas com altas correntes, estas unidades possam, por meio de sinais discretos ou por comunicação via rede, tomar a decisão de abandonar os ajustes de tempo que foram definidos pelo estudo de seletividade e atuar mais rapidamente (na ordem dos 70 ms). Esta solução tende a crescer mais ainda com a disseminação do protocolo IEC61850 e as mensagens “GOOSE”.

Práticas de manutenção segura
Além das já comentadas opções de uso de recursos que protejam o trabalhador por meio de barreiras físicas ou pelo seu distanciamento, existe a possibilidade de se adotar práticas que ajudem na redução dos níveis de energia incidente nas diversas atividades de manutenção e de operação. Isto é obtido graças à adoção de disparadores diretos (no caso de disjuntores de potência de baixa tensão) ou relés secundários microprocessados que apresentem a opção de escolha de grupos de ajustes dos valores das proteções. Esta característica permite a um profissional que tenha que intervir um equipamento faça uma mudança temporária nos ajustes da proteção, levando os mesmos para valores mais sensíveis (corrente de partida mais baixa e tempo de resposta mais rápido das unidades de sobrecorrente).

Também é claro que um programa de segurança aliado a instruções e práticas seguras de manutenção precisam ser definidos e implementados. Nesse contexto, deve-se atentar para implantação das etiquetas informando os níveis de energia presente e as distâncias requeridas.

Uso de novas tecnologias preditivas
Graças aos avanços da tecnologia dos sistemas de interface e coleta de dados para monitoramento contínuo, tanto de descargas parciais quanto de termografia, podem-se adotar práticas que evitem a necessidade de ação direta do ser humano, eliminando a necessidade de abertura de tampas e portas de conjuntos de manobra e controle. Também o uso de sistemas de monitoramento em tempo real das condições da isolação de equipamentos de média tensão reduz a possibilidade de virem a ocorrer falhas intempestivas, já que uma condição anormal pode ser identificada muito antes de evoluir para uma falha com arco.

CONCLUSÕES

A Segurança associada a conjuntos de manobra e controle, tanto em baixa quanto em média tensão, é uma atividade que se inicia bem antes e que se prolonga por toda a vida útil de uma instalação elétrica. Nesse sentido, podemos, seguindo a normalização relativa a cada produto, estabelecer algumas diretrizes básicas:

• Quantificar as cargas com seus perfis e as suas reais demandas.
• Definir as tensões nominais e de operação, segundo suas disponibilidades.
• Definir o tipo de aterramento a ser adotado para o sistema elétrico.
• Identificar as condições do local: ambientais (umidade, temperatura, poluentes, altitude, etc.) e espaciais (área e altura disponíveis, acessibilidade, etc.).
• Efetuar estudos de engenharia necessários e de forma completa e consistente (fluxo de carga, queda de tensão, curto-circuito, coordenação e seletividade, aterramento e, principalmente, o nível de energia incidente por “arc-flash”).
• Efetuar as análises de risco. Implantar o programa de informação dos níveis de energia incidente e treinamento do uso correto dos EPCs e EPIs.
• Definir as filosofias de operação e manutenção.
• Preferir o uso de sistemas inteligentes, com redes de campo, para a operação, monitoramento, coleta de dados e diagnósticos.
• Procurar usar tecnologias mais seguras para o monitoramento térmico e dielétrico dos sistemas condutores e de isolação.
• Definir e instaurar o programa de segurança em conformidade com a realidade existente.
• Principalmente, CONSCIENTIZAÇÃO.

REFERÊNCIAS

[1] Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces, NFPA 70E-2004.
[2] IEEE Guide for Perfoming Arc-Flahs Harzard Calculations, IEEE Std 1584 – 2002.
[3] NBR IEC 62271-200. Conjuntos de manobra e controle em invólucro metálico para tensões acima de 1 kV até e inclusive 36,2 kV. ABNT; 2007.
[4] NBR IEC 60439-1, Conjuntos de manobra e controle de baixa tensão – Parte 1: Conjuntos com ensaio de tipo totalmente testados (TTA) e conjuntos com ensaio de tipo parcialmente testados (PTTA), ABNT; 2004.
[4] NR-10: Norma regulamentadora No 10: Segurança em instalações e serviços em eletricidade. Ministério do Trabalho e Emprego – Governo Federal do Brasil.
[5]  William Vilcheck, et.al. “Practical Methods in Reducing the Dangerous Arc Flash Hazard in Large Industrial Facilities”. IEEE IAS Magazine, May-June – 2006.
[6] Steve J. Swencki, et.al. “Electrical Safety, Arc Flash Hazards and the Standards – A Comprehensive Overview”, IEEE Paper PCIC-2005-39.
[7] Michael Hodder, et.al. “Arc Flash Hazard Calculations – Myths, Facts and Solutions”. IEEE IAS Magazine, Jan-Feb – 2007.
[8] IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination, IEEE Std 242 – 2001 (Buff Book).
[9] IEEE Guide for Testing Metal-enclosed Switchgear rated up to 38 kV for Internal Arcing Faults, ANSI/IEEE Std C37.20.7 – 2007.

David D. Shipp, William S. Vilcheck, Frank J. Angelini e Luiz Felipe O. Costa são membros do IEEE e engenheiros da EATON.
Este artigo foi apresentado no II Petroleum and Chemical Industry Conference Brasil (II PCIC BR), entre os dias 16 e 17 de setembro de 2008.

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