Proteção contra arco elétrico

fev, 2016

Edição 120 – Janeiro de 2016
Por Marcio Bottaro e Ivan Bueno Raposo*

Uma abordagem sobre a resistência ao arco elétrico e as novas tendências de avaliação de Equipamento de Proteção Individual (EPI) para efeitos térmicos.

Com o desenvolvimento do arcabouço normativo fomentado pela comissão de estudos CE- 32:006.04 – Luvas e Vestimentas de Proteção – Riscos Térmicos, do Comitê Brasileiro de Equipamentos de Proteção Individual (ABNT/CB32), a participação do Ministério do Trabalho e Emprego, da indústria têxtil e sua cadeia de fornecimento e suprimento, além do desenvolvimento do primeiro laboratório nacional de ensaios de vestimentas de proteção contra efeitos térmicos de arcos elétricos, o Brasil tomou assento a partir de 2014 em importantes grupos de trabalho do TC78 da International Electrotechnical Commission (IEC). Merece destaque o envolvimento do país em grupos de trabalho para determinação das metodologias de ensaios para a determinação da resistência ao arco elétrico (do inglês Arc Rating). Esta participação certamente trará, em curto prazo, benefícios no aspecto tecnológico e de desenvolvimento industrial e científico, minimizando barreiras técnicas e promovendo interação e cooperação direta com grupos de especialistas internacionais.

Dentre as novidades que estão em discussão na IEC, figura com importância especial a introdução de um novo indicador de resistência ao arco elétrico para tecidos e outros materiais empregados em vestimentas de proteção, como o ATPV (Valor de Desempenho Térmico ao Arco Elétrico) e a EBT50 (Energia Limite de Rompimento), que são a base da classificação dos riscos e categorias de proteção dos EPIs, estabelecidos por regulamentos no Brasil. Este novo indicador, ELIM (Incident Energy Limit – tradução livre: Energia Incidente Limítrofe), traz conceitos, dúvidas e questionamentos sobre como ficarão classificados no futuro os EPI da categoria de proteção térmica ao arco elétrico.

Alguns conceitos de capacidade nominal ao arco elétrico (Arc Rating)

Dando enfoque mais direto à norma de métodos de ensaios de vestimentas de proteção IEC 61482-1-1, temos alguns indicadores principais de conhecimento dos fabricantes e usuários de vestimentas de proteção:

ATPV (Arc Thermal Performance Value)

O Valor de Desempenho Térmico ao Arco Elétrico (ATPV) é, por definição, um valor numérico de energia incidente atribuído a um produto ensaiado (expresso em kJ/m² ou mais comumente em cal/cm²), que descreve suas propriedades térmicas de atenuação de um fluxo de calor gerado por um arco elétrico.

Resumidamente, a determinação do ATPV é baseada em uma regressão logística (binária) aplicada a dados obtidos durante ensaios de tecidos e outros materiais submetidos a arcos elétricos com diversas energias sob condições controladas. Mas como isso é feito na prática?

O dispositivo de ensaio indicado pela IEC 61482-1-1 para determinação do ATPV consiste em um circuito em forma de “gaiola”, como normalmente chamada no Brasil, com geração de arco elétrico vertical em um espaço de 30 cm entre eletrodos, a uma corrente de 8 kA por intervalos de tempo variáveis, que determinarão a energia aplicada em cada bateria de ensaios. Para se ter uma ideia da correlação, o arco elétrico de calibração é efetuado em dez ciclos de rede (aproximadamente 167 ms) e resulta em uma energia incidente, a 30 centímetros do centro do arco, da ordem de 7,5 cal/cm². A disposição física do circuito de ensaio tem como principal objetivo confinar o arco elétrico de forma a evitar dispersões muito grandes durante sua produção, já que é muito difícil manter o arco exatamente alinhado em sua posição vertical durante o fenômeno produzido no ensaio.


Figura 1 – Projeto da “gaiola” de ensaio do IEE/USP.

Dentro do espaço de produção do arco elétrico são distribuídos três sistemas de monitoramento simetricamente alinhados entre si em um intervalo de 120° para colocação das amostras a serem caracterizadas.

 


Figura 2 – Projeto de disposição dos painéis e sensores externos na “gaiola” de ensaio no IEE/USP.

As amostras são posicionadas em painéis com dois sensores de monitoramento de energia transmitida pelo corpo de prova (tecido) e adjacentes aos painéis são posicionados dois sensores de monitoramento da energia incidente do arco.


Figura 3 – Projeto dos painéis para ensaios de tecidos e calorímetros externos no IEE/USP.

Os calorímetros utilizados nos painéis e sensores externos são basicamente discos de cobre de grau elétrico com termopares acoplados mecanicamente aos mesmos de forma conveniente para detecção das variações de temperatura que, por meio de cálculos utilizando-se a capacidade de calor específica do cobre, serão convertidas em energias entregues aos transdutores, sejam estas transmitidas (sensores no painel) ou incidentes (sensores externos adjacentes ao painel).

As energias transmitidas são comparadas com a curva de Stoll, um conjunto de dados baseados em um modelo empírico capaz de prever queimaduras de segundo grau pela relação da quantidade de energia transferida ao tecido humano e o tempo de exposição. Desta comparação é deduzida a queima ou não do tecido por meio de comparação direta: quando a curva de energia transmitida extrapola a curva de Stoll, ocorre queima (1); quando a curva de energia transmitida não extrapola a curva de Stoll, não ocorre queima (0). Um grande problema na determinação da queima ou não do tecido humano está no intenso ruído eletromagnético transmitido pelos sensores termopares durante o arco elétrico. Este ruído requer um trabalho de filtração eletrônica e matemática, e, no Instituto de Energia e Ambiente (IEE/USP), foi desenvolvido utilizando-se a plataforma de instrumentação virtual LabVIEW.

As energias incidentes, por sua vez, são as variáveis independentes para cada condição de queimadura ou não em um gráfico de iterações binárias. A cada ensaio um arco elétrico é produzido sob condições controladas e amostras de temperatura são coletadas pelos sensores calorímetros dos painéis e sensores externos, devidamente convertidas em energia (calor). No mínimo, 20 amostras devem ser adquiridas, dessa forma, a menor bateria de ensaios é composta de sete arcos elétricos de 8 kA com tempos variados.

 


Figura 4 – Gráfico com dados de probabilidade de queima (E), regressão logística (linha vermelha) e zona mista destacada (região em verde).

Neste gráfico da Figura 4 é possível delinear uma região denominada zona mista, onde os efeitos de queima ou não variam de forma binária e aleatória entre 0 (zero) e 1 (um). Isso ocorre pelas características do corpo de prova e suas propriedades de resposta térmica ao fenômeno ensaiado. A zona mista abrange a área delimitada pelo ponto de menor energia incidente com resposta 1 (um – queima) e o ponto de maior energia incidente com resposta 0 (zero – não queima), em uma sequência crescente de energias incidentes.

Efetuando-se a regressão logística sobre estes dados (equação 1), determina-se o ATPV, valor que representa uma energia incidente que resulta em uma probabilidade de queima de 50% do tecido humano.

Em que x é a variável independente (energia), a e b são o intercepto e o coeficiente de regressão, respectivamente. Quando p = 0,5 (50 %), .

As incertezas destes processos ainda foram pouco exploradas e a equipe de pesquisadores do IEE/USP vem trabalhando neste tema em paralelo ao desenvolvimento do projeto de pesquisa do laboratório.

EBT50 (Breakopen Threshold Energy)

A Energia Limite de Rompimento (EBT50) é designada como energia incidente suficiente para causar, com uma probabilidade de 50%, o rompimento do espécime sob ensaio (corpo de prova). O EBT50, assim como o ATPV, é expresso em kJ/m² ou mais comumente em cal/cm².

Na verdade, o procedimento de avaliação do EBT50 é equivalente ao ATPV, no entanto, após cada arco elétrico, as três amostras submetidas aos seus efeitos térmicos, são inspecionadas para evidências de furos, com área de pelo menos 300 mm² ou 25 mm em qualquer dimensão linear, que evidenciam a queima.

O processo ocorre paralelamente à determinação do ATPV e tem as mesmas energias incidentes como variáveis independentes na análise. Muitas vezes o EBT50 não pode ser determinado e no ensaio é obtido apenas o valor de ATPV. Podem ocorrer evidências dos dois em uma mesma bateria de ensaios, com, eventualmente, um ou mais arcos além dos sete minimamente prescritos por norma, ou ainda, o surgimento de furos sem que se consiga determinar o ATPV. Ambos, convergindo ou não em resultados por regressão logística, devem ser apontados nos relatórios de ensaios.

ELIM (Incident Energy Limit)

O ELIM chegou ao conhecimento do ABNT/CB32 na primeira reunião técnica do MT 61486-1-1 (Grupo de trabalho internacional onde hoje o Brasil tem membros ativos) em janeiro de 2014. Na ocasião, os membros do ABNT/CB32 atuaram diretamente como membros participantes e também como membros observadores.

A ideia do ELIM foi motivada pela Comunidade Europeia em função da não aceitação da probabilidade de queima ou rompimento em 50% apresentada pelas respectivas unidades de Resistência ao Arco Elétrico ATPV e EBT50. O ELIM pode ser definido como valor numérico de energia incidente atribuída a um produto (expressa em kJ/m² ou em cal/cm²), abaixo da qual não existe qualquer energia que extrapole a curva de Stoll, ou mesmo qualquer evidência de rompimento.

O mesmo critério de amostragem (ao menos 20 corpos de prova) é empregado na determinação do ELIM. Este parâmetro é calculado como a média aritmética das três maiores energias incidentes abaixo da zona mista, ou seja, imediatamente inferiores à primeira probabilidade 1 (um) de queima. Cabe ressaltar que não pode ocorrer rompimento (furos) nesta condição. Na condição de inexistência de zona mista, que pode ocorrer em alguns ensaios, o ELIM é determinado como a média aritmética das três maiores energias incidentes sem ruptura ou queima na avaliação por Stoll.

A Figura 5 ilustra os pontos adotados para determinação do ELIM em um exemplo hipotético. A regressão logística é apresentada somente para comparação, mas, no cálculo de ELIM, é desprezada.

 


Figura 5 – Gráfico com dados de probabilidade de queima (E), regressão logística (linha vermelha), zona mista destacada (região em verde) e dados para cálculo do ELIM (apontados pelo quadro azul).

 

No exemplo apresentado na Figura 5, é facilmente verificado que ELIM terá um valor inferior ao ATPV (energia em 50 %), o que o torna mais conservador na prescrição de resistência ao arco elétrico para um EPI.

Discussões e conclusões

A avaliação e a determinação da resistência ao arco elétrico ainda são efetuadas com base no ATPV e EBT50, conforme as prescrições vigentes da IEC 61482-1-1 e outras normas ASTM. A introdução do ELIM deve ser concretizada em 2016, quando, provavelmente, a nova edição da norma IEC será publicada. A discussão sobre o impacto do ELIM ainda não está sendo objeto da comissão de estudos CE 32:006.04, mas em breve, com a circulação para votação do primeiro “draft” oficial desta norma, a participação de nossos especialistas no MT 61482-1-1 será fundamental para a contribuição com voto nacional neste projeto. Desde 2014, quando o Brasil de fato passou a ter representatividade neste time de manutenção da IEC, várias contribuições foram feitas e muitas discussões têm sido levadas ao comitê nacional neste âmbito.

O ELIM, a priori, por indicar um valor mais conservador e, consequentemente, inferior de resistência ao arco elétrico, traz receio a fabricantes e usuários. O temor de reduzir um indicador de desempenho ou ainda de pressupor uma vestimenta mais pesada para uma mesma atividade desempenhada anteriormente com um EPI mais leve são algumas das dúvidas que todos apresentam no momento. A boa notícia para todos é que os outros parâmetros de resistência ao arco elétrico permanecem apontados na normativa técnica, cabendo a cada legislação, de cada país ou comunidade, estabelecer qual será seu referencial.

Uma importante vantagem do Brasil, que o capacita hoje como um dos importantes membros deste time, é o desenvolvimento do laboratório nacional de avaliação de vestimentas. Em dezembro de 2013, a Petrobras e a Universidade de São Paulo, representada pelo Instituto de Energia e Ambiente (IEE), firmaram acordo por meio de projeto de Pesquisa e Desenvolvimento voltado à estruturação laboratorial para o desenvolvimento do Laboratório de Ensaios de Proteção de Vestimentas contra efeitos térmicos de arcos elétricos. Este laboratório hoje é praticamente uma realidade e encontra-se em fase final de desenvolvimento e validações de processos e métodos.

 

 

 


Figura 6 – Laboratório de ensaios de vestimentas do IEE/USP.

Este laboratório permitirá, em breve, a atuação nas investigações práticas dos impactos do ELIM e outras novidades que possam surgir no arcabouço normativo futuro, possibilitando também uma maior e melhor atuação das empresas do segmento nas discussões e proposições aos comitês internacionais, nos colocando no mesmo patamar dos membros de outros países que já contam com laboratórios de referência no hemisfério norte.


*Marcio Bottaro e Ivan Bueno Raposo são pesquisadores do Instituto de Energia e Ambiente da Universidade de São Paulo (IEE/USP).


 

Com a necessidade de redução de peso das plataformas, visando alívio das unidades flutuantes e, consequente redução dos custos, fez-se necessário o desenvolvimento de materiais mais leves. Surgem assim, as tecnologias Ex-nA (não acendível) e Ex-e (segurança aumentada), empregando geralmente materiais plásticos em sua estrutura. Para aumentar a resistência mecânica, adiciona-se fibra de vidro ao plástico. Com isso, obtém-se um material mais leve que o alumínio e com adequada resistência mecânica. Devido à proximidade com a água salgada do mar, os equipamentos em alumínio, caso não protegidos por uma camada de tinta especial, podem sofrer corrosão pela salinidade e umidade. O material plástico empregado nas luminárias de tecnologia Ex-e apresentam alta resistência à corrosão.  Figura 1 – Luminária fluorescente linear em plástico reforçado com fibra de vidro.    No entanto, para ambas as tecnologias Ex-d e Ex-e, são conhecidos os problemas relacionados aos efeitos de EOL (End-Of-Life) que ocorrem nas lâmpadas fluorescentes gerando manutenções constantes de troca das mesmas. São também conhecidos os problemas que ocorrem nos respectivos reatores eletrônicos, os quais também requerem a sua substituição periódica. Em instalações offshore, tais manutenções resultam quase sempre em paradas de produção e procedimentos de segurança demorados que acarretam custos extremamente elevados.  A tecnologia Led aplicada às luminárias lineares permite reduzir fortemente essa necessidade de constante substituição das atuais lâmpadas fluorescentes devido à sua elevada vida útil, minimizando assim os elevados custos incorridos dos trabalhos de manutenção. Um módulo Led é projetado para durar cerca de 60.000 horas enquanto que uma lâmpada fluorescente tubular convencional dura cerca de 16.000 horas. Outro ponto que vem ganhando importância atualmente é a eficiência energética dos equipamentos elétricos. Quanto maior essa eficiência, menos robustas precisam ser as instalações elétricas e menor é o consumo de potência durante a operação. Isso resulta em custos menores de construção e operação. A tecnologia Led apresenta um consumo de potência elétrica menor em relação à fluorescente para produzir um mesmo fluxo luminoso. Ou seja, para gerar o mesmo nível de iluminação, a tecnologia Led consome menos energia que a fluorescente, sendo assim, mais eficiente. Essa redução pode chegar a 20% dependendo dos modelos utilizados. Muitas dessas luminárias são dotadas de sistemas autônomos de emergência. Em caso de queda de energia, esse sistema mantém as lâmpadas acesas através de um conjunto de baterias. O consumo menor de energia apresentado pelo Led permite um maior período de funcionamento autônomo ou uma redução no tamanho do módulo de baterias dependendo da necessidade desejada.  Figura 2 – Sistema autônomo de emergência integrado à luminária.      Outra vantagem da tecnologia Led é a alta resistência às vibrações e impactos, sempre presentes nas plataformas offshore devido ao modo de operação e ao reduzido espaço disponível. As lâmpadas fluorescentes possuem em seu interior um par de eletrodos, um em cada extremidade, e um gás inerte à baixa pressão que ficam encerrados pelo invólucro de vidro tubular. Tanto os eletrodos quanto o invólucro são susceptíveis ao dano por vibração ou impacto, causando falhas prematuras das lâmpadas. No caso da tecnologia Led, a luz é gerada por materiais semicondutores (estado sólido) e não são utilizados eletrodos ou invólucros de vidro que possam ser danificados, assim, a tolerância à vibração e impactos é muito maior. Para se acender uma lâmpada fluorescente é necessário que se aplique uma elevada tensão elétrica inicialmente para causar a ionização do gás inerte. Dessa maneira, a cada chaveamento de liga-desliga, é gerado um estresse nos eletrodos da lâmpada. Quanto mais frequentes forem esses chaveamentos, mais reduzida será a vida útil do eletrodo e, por consequência, da lâmpada. Esse efeito não acontece com os módulos de Led, uma vez que não necessitam de altas tensões de partida para ionização de gases como nas fluorescentes.  Outro ponto a ser observado é que esses gases ionizados produzem a nociva radiação ultravioleta (UV), cujos níveis são regulamentados pelas normas vigentes. Esse é um efeito intrínseco ao funcionamento das lâmpadas fluorescentes que necessitam dessa radiação para excitar o composto de fósforo que recobre o tubo de vidro internamente gerando luz no espectro visível ao olho humano. Isso não acontece com a tecnologia Led, na qual a luz é gerada diretamente no espectro visível. Deve-se evidenciar também a ampla gama de temperaturas de cor e o alto índice de reprodução de cor (IRC) oferecidos pelo Led que permitem flexibilidade e capacidade de atender aos diversos requisitos de aplicação. A tecnologia Led também apresenta vantagens no final de sua vida útil. Ao contrário das lâmpadas fluorescentes que podem conter mercúrio, fósforo e outros metais pesados em seu interior e não podem ser descartadas indiscriminadamente, os módulos Led não requerem esse controle rigoroso e dispensam a necessidade de espaço de armazenamento.  Figura 3 – Descarte inadequado das lâmpadas fluorescentes pode causar contaminação do solo por metais pesados.  Dentro deste panorama, existe uma forte tendência de se efetuar estas modificações nestas luminárias, retirando-se os reatores e as lâmpadas fluorescentes e colocando em seu lugar as lâmpadas Led lineares, as quais já possuem toda a eletrônica requerida “embarcada”, dispensando a instalação de reatores ou de drivers adicionais. Deve ser ressaltado que os pinos terminais das lâmpadas tubulares Led são idênticos aos terminais das lâmpadas bipino fluorescentes. Dessa forma, não há necessidade de modificação dos suportes terminais existentes nas luminárias “Ex” e nem réguas de bornes terminais ou colocação de qualquer componente adicional, reduzindo-se, assim, o tempo de parada para a substituição.       

Figura 4 – O módulo Led substitui as lâmpadas fluorescentes, conectando-se diretamente aos soquetes e mantendo o reator existente. As vantagens dessa substituição das lâmpadas fluorescentes existentes por um módulo Led linear são: • Tecnologia Ex-e para facilitar manutenção; • Economia de energia em cerca de 20%; • Fluxo luminoso e distribuição equivalente à fluorescente já instalada; • Iluminação indireta via refletor evitando ofuscamento; • Fácil instalação sem necessidade de acesso ao reator ou às conexões elétricas;• Ampla gama de temperaturas de cor para atender as várias necessidades de aplicação; • Redução dos altos custos de manutenção comparados com as lâmpadas fluorescentes tradicionais devido às frequentes trocas; Vida útil de 60.000 horas; Dispensa necessidade de alteração das luminárias já existentes;  Ampla faixa de temperatura ambiente de operação (-25 °C a +50 °C)

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