Arco voltaico monofásico

Edição 85 – Fevereiro 2013

Por Alberto Marroquin e tradução de Alberico Couto Ferraz*

Arco voltaico monofásico

Métodos de avaliação de riscos em equipamentos monofásicos considerando o comportamento das faltas de arco em diferentes níveis de tensão

Uma pergunta feita comumente é de como se pode determinar o nível de risco associado à incidência de arco voltaico monofásico. Existe pouca informação a respeito desse tipo de circuito nas publicações disponíveis, tais como a CSA Z462-08, NFPA 70E 2009 & IEEE 1584 2002. Se o nível de risco não for adequadamente determinado, corremos o risco de promover uma superproteção ou subproteção das pessoas que trabalham com esses tipos de sistemas elétricos. O objetivo deste artigo é apresentar os diferentes métodos de avaliação de riscos de alta e de baixa tensão em equipamentos monofásicos e justificar seus resultados levando- em consideração o comportamento das faltas de arco nos diferentes níveis de tensão.

Na maioria das vezes, circuitos monofásicos são usados em escala menor nos sistemas de distribuição de potência. A maioria dos circuitos monofásicos é localizada em residências, em pequenas zonas comerciais e, em geral, em cargas de iluminação de instalações industriais e em outros tipos de circuitos, tais como ramais de serviço para equipamentos temporários em torno de facilidades (centros de carga), onde as pessoas entram em contato com esses tipos de equipamento diariamente.

Circuitos monofásicos típicos 

Os tipos mais comuns de circuitos monofásicos podem ser classificados como fase-neutro (i.e. AN, BN e CN), fase-fase (AB, BC, CA) e monofásicos a três fios (L1 & L2). A Figura 1 mostra a conexão típica de circuitos monofásicos e multifásicos que pode ocorrer nos diversos níveis de tensão. Exemplos de aplicação em BT (<1,0 kV) incluem conexões de distribuição monofásica a 3 fios (240/120 volts) montadas em postes (veja a Figura 2) e circuitos fase-fase ou fase-neutro (i.e. circuitos de iluminação em 347 volts). Exemplos de circuitos monofásicos de AT em sistemas de tração elétrica dos sistemas ferroviários, cujas tensões monofásicas entre os terminais da linha e da linha conectada ao tap central, são bastante altas na ordem de 55 kV (V1, V2) ou 110 kV (V1 + V2).

 

 

 

A Figura 3 mostra um diagrama de um transformador monofásico de 50 kVA com uma tensão de serviço entre seus terminais de 240-120 volts para um pequeno centro de carga de uma facilidade industrial. O tamanho (potência) típico para esses transformadores é de 100 kVA ou menor (400 ampères em 240 volts), entretanto, em alguns casos, transformadores de maior potência precisam ser usados.

 

 

Um arco voltaico nestes centros de carga pode ocorrer entre fase e terra ou entre os seus terminais extremos L1 e L2 constituindo uma falta em 240 volts.

 

 

Comportamento do arco monofásico

 

Antes de procurarmos uma solução para o problema de como determinar a energia liberada por circuitos monofásicos, é preciso entender alguns comportamentos fundamentais dos arcos elétricos sujeitos a diferentes níveis de tensão.

A energia liberada por um arco é determinada a partir do produto da queda de tensão no arco Ea e a corrente de arco Ia (Lee, Ralph H. ”The Other Electrical Hazard: Electric Arc Blasr Burns” IEEE Transacrions on Industry Applications v. IA-I8 n. 3, 1982). A Figura 4 ilustra a resistência elétrica equivalente do arco que é introduzido pelo arco de plasma. O efeito desta resistência fictícia do arco é de limitar a corrente de arco a um valor menor que a corrente de falta franca disponível (metal contra metal) do circuito. O calor liberado pelo arco é gerado pela rápida expansão do plasma composto de material vaporizado. A temperatura extrema deste vapor de plasma metálico aumenta a impedância total do circuito que, por sua vez, aumenta a magnitude da tensão Ea. Por isso é que nas faltas francas ocorre pouca geração de calor tendo em vista que os condutores metálicos sob falta franca oferecem uma resistência muito pequena e, consequentemente, a queda de tensão no arco torna-se ausente.

 

 

Nos circuitos monofásicos e trifásicos de alta tensão (>1,0 kV), o gap (espaço) entre os condutores pode facilmente abrir um caminho para a passagem da corrente de arco. Este comportamento tende a reduzir o efeito da resistência fictícia do arco e produzir altas correntes de arco, cujos valores são menores em cerca de 5% a 10% do valor da corrente de falta franca. Esta é a razão pela qual uma aproximação conservativa é feita para configurar o limite da corrente de arco apenas pelo valor da impedância Zs da fonte do sistema (>15,0 kV).

O maior interesse nesse comportamento é que, para faltas monofásicas, devemos considerar uma impedância adicional para a componente de sequência zero (no caminho de alta impedância para terra), a fim de reduzir a magnitude da corrente Ia e, inversamente, afetar o tempo de extinção da falta (tempo necessário para que o dispositivo de proteção dispare e extingue a falta). Este comportamento de baixa magnitude de corrente de arco não está necessariamente presente num sistema trifásico, tendo em vista que o arco pode iniciar entre uma fase para a terra (neutro), mas rapidamente evolui para uma corrente de arco de magnitude mais elevada. Para circuitos monofásicos, o caminho por meio dos condutores aterrados por alta impedância pode ser a única rota para o fluxo da corrente Ia.

Não se espera que o comportamento de circuitos monofásicos fase-fase seja muito diferente de um circuito trifásico porque, nestes casos, não haveria caminhos de alta resistência envolvidos. É claro que a magnitude da corrente de uma falta franca fase-fase precisa ser estimada antes da determinação da corrente de arco.

Arcos de baixa tensão possuem

comportamentos diferentes. Dependendo da potência nominal em kVA do equipamento, o arco de BT pode ter ou não uma diferença entre a tensão da fonte Es e a queda de tensão no arco Ea para energizar o arco e abrir caminho no espaço (gap) entre os condutores, A queda de tensão no arco é de aproximadamente 75 a 100 volts por polegada, e a tensão na fonte Es é relativamente pequena. Para um espaço (gap) entre condutores de 2 polegadas tem sido observada uma queda de tensão no arco de 150 a 200 volts, sendo este valor próximo ao da tensão Es da fonte.

Dependendo da tensão Es da fonte e da corrente de falta disponível, as correntes de arco de BT podem ser ou não autossustentáveis. O limiar típico de arcos autossustentáveis pode ficar em torno de 208 a 240 volts em CA com uma corrente de falta aproximada de 10 kA (a 240 volts). Para o sistema monofásico mostrado na Figura 4, é possível imaginar que possa ser gerado um arco no circuito de 240 volts, mas não no circuito de 120 volts. Entretanto, independentemente disso, ainda podemos estimar que o calor e a potência presentes nos circuitos de 120 volts com uma corrente de falta franca Ibf e uma fonte de tensão Es ainda não seriam realmente necessários, pois não seria esperado qualquer valor significativo de calor a ser gerado a partindo destes circuito.

 

Como obter resultados de arco voltaico em circuitos monofásicos

 

Entendido o comportamento das faltas de arco nos diferentes níveis de tensão, podemos continuar na determinação de como obter os resultados de análise de arco voltaico para diferentes tipos de equipamentos monofásicos. As equações trifásicas podem ser usadas para se obter resultados conservativos nas aplicações monofásicas e que, possivelmente vão produzir resultados conservativos de acordo com o CSA Z462-08 Annex D.7.3 e IEEE 1584 2002 Section 5.1. Portanto, as equações das publicações CSA Z462-08 Annex D.7.3 e D.7.4 (Equações empíricas do IEEE 1584 2001) podem ser usadas desde que as tensões dos circuitos monofásicos estejam entre 0,208 kV e 15 kV. 

As equações da publicação CSA Z462-08 Annex D.7.5 podem ser usadas para circuitos monofásicos AB, BC, CA e LL com tensões nominais superiores a 15 kV. Os resultados serão conservativos. Para possíveis circuitos NA, BN e CN acima de 15 kV é possível utilizar as tabelas D.6 e D.7 da CSA Z462-08 para se obter resultados estimados de liberação de energia menos conservativos (porém provavelmente mais precisos). Por favor, tenha em mente que as tensões mostradas nessas tabelas são para circuitos com tensão fase-fase e você deverá dividir por raiz quadrada de 3 para achar os valores da corrente de falta monofásica entre fase e terra.

Para equipamentos de baixa tensão é recomendado que os resultados de arco voltaico monofásico sejam obtidos a partir das equações dadas na CSA Z462-08 Annex D.7.3 e D.7.4 para que as tensões entre os terminais extremos (sistema monofásico a 3 fios) estejam acima de 0,208 kV e a corrente de falta franca monofásica disponível esteja entre 0,7 kA e 106 kA. Estas equações podem produzir resultados super conservativos especialmente para níveis de tensão abaixo de 0,240 kV. A alternativa para as equações empíricas é a utilização das equações da CSA Z462-08 Annex D.7.5 para circuitos monofásicos que caírem fora daquela faixa.

 

Exceções para análise de arco voltaico em circuitos monofásicos

A seção 4.3.3.1 da CSA Z462-08 contém uma exceção para o não fornecimento de uma análise de risco de arco voltaico se a tensão do circuito for menor que 240 volts em CA e a corrente for suprida por um único transformador com potência inferior a 125 kVA. Com base nessa exceção, fica limitado o número de circuitos monofásicos a serem analisados. Entretanto, também com base nessa exceção, isso não implica que a determinação da categoria de risco não necessita ser aplicada usando-se o método das tabelas para análise de risco de arco voltaico. 

Os requisitos da Tabela 4 da CSA Z462-08 Section 4.3.7.3.9 ainda precisam ser conhecidos e as tarefas requeridas para categorias 0 ou 1 do PPE. Circuitos alimentados por transformadores menores que 125 kVA caem nesta Categoria de Risco. Se o nível de categoria de risco 1 for atribuída a qualquer circuito dentro desta faixa, então estaremos fazendo a suposição de que a energia liberada pelo circuito não será maior que 4,0 cal/cm2. As fronteiras de proteção do arco voltaico (AFPB pés) podem ser determinadas com base neste limite de energia. 

A Figura 5 mostra a diferença em energia e a AFPB obtida a partir de duas simulações. Os resultados na cor azul foram obtidas a partir das equações da CSA Z462-08 Annex D.7 e D.7.4. Os resultados na cor vermelha foram atribuídos automaticamente como nível de categoria de risco 1. Os resultados do cálculo como categoria de risco 2 foram determinados para o painel 1 de 240 V. Os resultados de arco voltaico no painel 1 dependem exclusivamente do tempo de extinção da falta do fusível 1 do lado primário do transformador (7,2 kV entre fase e neutro). O tamanho do fusível selecionado é de 8 A, mas não incomum o uso de fusível de 12 A para proteção deste tipo de transformador (sobrecargas elevadas são algumas vezes usadas para se manter uma continuidade de serviço).

Se isto for o caso, a energia prevista obtida a partir das equações seria alta de 13 cal/cm² com um tempo de extinção da falta de 1,5 segundos. A conclusão a partir deste exemplo é de que as equações podem ser usadas com segurança para determinar resultados conservativos de arco voltaico em sistemas trifásicos e monofásicos desde que os circuitos estejam de acordo com as diretrizes do CSA Z462-08, seção 4.3.3. Portanto, é considerado com segurança que os requisitos de PPE para as categorias de risco 0 e 1 são boas para esses locais.

 

 

 

Conclusão

As publicações CSA Z462-08 e NFPA 70E 2009 não fornecem métodos de cálculo específicos para circuitos monofásicos, entretanto, pode ser generalizado que o comportamento de faltas monofásicas é bastante similar às faltas trifásicas desde que os mesmos princípios físicos fundamentais do sistema de impedâncias e tensão se apliquem a ambos.

Será um grande benefício ao público em geral se os comitês técnicos estenderem as pesquisas sobre arcos voltaicos, especificamente para os casos mais comuns de

circuitos monofásicos. Isto removeria algumas ambiguidades nas diretrizes disponíveis de forma que os indivíduos pudessem avaliar os riscos desses tipos de circuito mais facilmente.

Existem deficiências nas equações disponíveis e elas precisam levar em conta diversos parâmetros envolvidos nos casos que envolvam arcos voltaicos decorrentes de faltas desequilibradas, apesar de que ainda podemos chegar a conclusões conservativas com base nos métodos correntes.

 

*Albert Marroquin é engenheiro eletricista e registrado como engenheiro profissional no Estado da Califórnia, nos Estados Unidos. É gerente de testes da Operation Technology, Inc., desenvolvedora do programa de análise de arco voltaico do ETAP.