Análise de arco elétrico de acordo com a norma IEEE 1584-2018

Software Ampère oferece uma solução eficiente para a análise de riscos de arcos elétricos

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A segurança em sistemas elétricos é uma preocupação constante, especialmente quando se considera o risco de incêndios causados por arcos elétricos.

Estes eventos, desencadeados por falhas no isolamento, podem gerar níveis elevados de energia e colocar em risco tanto equipamentos quanto pessoas. Para garantir a segurança em instalações elétricas, é fundamental realizar uma análise detalhada do risco de arcos elétricos.

Essa análise permite determinar a energia incidente, ou seja, a quantidade de energia liberada por um arco elétrico em um determinado ponto. Com base nesse valor, é possível definir o nível de proteção individual necessário para os profissionais que trabalham nesses locais.

O software Ampère, utilizado em projetos elétricos, oferece uma solução eficiente para a análise de riscos de arcos elétricos. Ele utiliza os modelos de cálculo estabelecidos pela norma IEEE 1584-2018 para determinar a energia incidente e o limite de arco elétrico, facilitando a análise de riscos e a definição dos EPI’s adequados.

Além disso, o software permite identificar os dispositivos de proteção contra arcos elétricos, contribuindo para a mitigação dos riscos.

O software para cálculos de redes elétricas da Electro Graphics eleva a segurança na engenharia elétrica, permitindo a definição precisa de EPIs e dispositivos de proteção contra arcos elétricos. Com ele, você dimensiona projetos elétricos de forma segura e eficiente.

Os sistemas elétricos devem minimizar e mitigar os efeitos dos arcos elétricos, principalmente na operação de linhas energizadas, podendo ser ocasionado devido a curtos-circuitos acionados acidentalmente por operadores próximos a partes elétricas energizadas.

Em nível industrial, as correntes e as tensões da falta podem criar os arcos elétricos explosivos, com projeção de material fundido e radiação perigosa.

Normalmente, é feita uma análise do grau de periculosidade do arco elétrico que pode se desenvolver em um quadro elétrico, definido pelo valor da Energia incidente calculada na distância de trabalho.

A energia incidente determina o nível da proteção do equipamento de proteção individual EPI que o pessoal responsável em realizar as atividades em linhas energizadas deve utilizar.

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Outras iniciativas de mitigação do risco dizem respeito à escolha de equipamentos e sistemas adequados, como disjuntores com limitação da corrente de falta e sensores de luz do arco elétrico projetados para interromper rapidamente a alimentação.

O software Ampère aplica os modelos de cálculos fornecidos pela norma IEEE 1584-2018 para a determinar a Energia incidente (E) e o Limite do Arc flash (AFB). A tabela abaixo relaciona os valores da Energia incidente com o nível do equipamento de proteção individual necessário.

A definição do Limite do Arc flash é retirada da norma NFPA 70E: a distância de onde ocorre o Arc Flahs e na qual você definitivamente não tem queimaduras fatais (3º grau) e com 50% de chance de verificar queimaduras de 2º grau. Se a energia irradiada for reduzida para 1,2 cal/cm2 (5 J/cm2), não é necessário nenhum EPI para Arc Flash.

Os valores fornecidos pela norma são a interpolação dos resultados obtidos a partir de testes realizados em três quadros típicos, com tensões de operação iguais respectivamente a 600, 2700 e 14300 V.

Limites de validação

O principal campo de utilização do cálculo prevê tensões de alimentação de linha de 208 V a 15.000 V. Os circuitos devem ser em corrente alternada com frequências de trabalho de 50 ou 60 Hz. As correntes da falta devem possuir valores entre:

de 208 V a 600 V: 500 A a 106.000 A;
de 601 V a 15.000 V: 200 A a 65.000 A.

A distância entre os condutores para diferentes faixas de tensão:

de 208 V a 600 V: 6,35 mm a 76,2 mm;
de 601 V a 15000 V: 19,05 mm a 254 mm.

Os quadros devem possuir os seguintes limites de dimensões:

Altura e largura máximas 1244,6 mm;
Área máxima de abertura 1.549 m2;
A largura deve ser de no mínimo 4 vezes a distância entre os condutores.

Fundamental no cálculo é a variável tempo, ou seja, a duração do arco. É calculado o tempo de abertura das proteções contra corrente de arco Iarc, ao qual se acrescenta 0.05 segundos para o tempo mínimo de abertura não retardada.

Deve-se dizer que a norma calcula a Energia incidente (E) como a maior de dois cenários, nos quais são considerados dois valores de corrente de arco, um nominal e outro reduzido. A redução da corrente pode afetar os tempos de abertura, resultando em um valor final superior ao da corrente plena.

Cálculo do Arc Flash

Vamos analisar a ferramenta oferecida pelo software para calcular a Energia incidente nos quadros elétricos. Para realizar a análise é necessário entrar na janela Editar dados do quadro e selecionar a guia Arc-Flash Hazard.

A janela abaixo é utilizada como uma “calculadora” para verificar o nível de perigo de um quadro como um todo, ou de um determinado usuário. Um caso particular pode ser um quadro contendo várias Células MT/AT, para o qual pode ser necessário fazer uma verificação pontual. Esses usuários são destacados na lista por um sufixo [Célula MT/AT] ao lado do nome.

Usuário de referência para o cálculo

Na janela é possível escolher um dos usuários pertencentes ao quadro, ou com o comando Localizar a maior falta no quadro, o software propõe o usuário com um grau de perigo maior.

É exibido a tensão de trabalho e a corrente da falta utilizada. A norma IEEE 1584 prioriza as correntes de falta trifásicas, embora não sejam o pior caso entre as faltas.

Para circuitos monofásicos ou bifásicos, o software utiliza a corrente de falta Ikm máx. A janela também fornece informações relacionadas à impossibilidade de realizar cálculos como:

Usuário sem alimentação;
Corrente de falta zero;
Tensão inferior a 208 V;
Tensão superior a 15 kV;
Frequência de trabalho diferente de 50 ou 60 Hz;
Corrente de falta maior que 106 kA (para tensões menores que 600 V);
Corrente de falta maior que 65 kA (para tensões maiores que 600 V);
Largura do quadro menor que 4 vezes a distância entre os eletrodos.

Propriedades do quadro para o Arc Flash

Na janela é possível inserir a Distância de trabalho e três propriedades do quadro. A Energia incidente, portanto, o nível de periculosidade do arco elétrico, é calculada na distância de trabalho presumida do operador.

Sendo um valor presumido e teórico, a janela permite uma análise em diferentes distâncias sugeridas pela norma, fornecendo uma série de quatro valores de energia e os correspondentes níveis de EPI necessários. A seguir, temos a Configuração dos eletrodos:

VCB: Eletrodos verticais em um quadro;
VCBB: Eletrodos verticais com barreira isolante em um quadro;
HCB: Eletrodos horizontais em um quadro;
VOA: Eletrodos verticais ao ar livre;
HOA: Eletrodos horizontais ao ar livre.

A Distância entre os eletrodos deve ser escolhida considerando que a tensão de trabalho impõe um intervalo de valores aceitos, conforme sugerido pelo comentário abaixo do comando. Por fim, o tamanho do quadro complementa a informação “física”.

Se a carpintaria do quadro já estiver inserida, as dimensões são informadas automaticamente pelo software. Atenção: para células MT/AT, gerenciadas como usuários individuais, pode ser necessário inserir as dimensões da célula individual, ao invés do quadro geral.

Resultados com Iarc em 100%

A janela também exibe os cálculos relativos ao primeiro cenário com corrente total do arco. Essa determina os tempos de abertura da proteção, que são identificados pelo software a montante do usuário de referência.

O Limite do Arc Flash (AFB) é a distância onde é prevista uma Energia incidente de 5 J/cm2, o primeiro limiar para além do qual é necessário um grau de proteção pessoal. Por fim, possui a tabela com as distâncias, as energias incidentes e os níveis de proteção correspondentes, expressos em [mm]/[in] e [J]/[cal], unidades de medida personalizáveis.

Resultados com Iarc reduzida

A janela exibe os cálculos referentes ao segundo cenário com a corrente do arco reduzida. As correntes de falta que podem se desenvolver em um quadro possuem uma faixa de valores devido às condições externas que influenciam a falta, como a temperatura de trabalho e a tensão de alimentação.

Portanto, no parágrafo 4.5, o a norma IEEE 1584 fornece a equação para calcular os valores reduzidos da corrente do arco. Como já mencionado, é importante porque pode aumentar o Tempo do arco T em um valor tal que forneça um resultado final de Energia incidente maior do que em plena corrente.

Impressão dos resultados

Por fim, a janela permite a impressão dos resultados dos cálculos efetuados aplicando a norma IEEE 1584, principalmente para a criação de placas de aviso de perigo de arco elétrico para a fixação nos locais de risco.

O software fornece alguns modelos, como mostra a figura abaixo, e também permite criar modelos personalizados através do gerenciador de modelos Editar modelos.

Nota. Dentre os modelos propostos pelo software, o Arc Flash (modelo) oferece todas as etiquetas comentadas úteis como ponto de partida para qualquer documento personalizado referente ao estudo do arco elétrico.