Arco elétrico e o risco de incêndio em instalações em baixa tensão

A grande maioria dos curto-circuito elétricos em instalações de baixa tensão são devido a falha de isolação entre partes vivas e a massa.

As medidas de proteção contra choques elétricos, seccionamento automático da alimentação através de dispositivos específicos em função do regime de aterramento, garantirá o desligamento automático da alimentação em caso de falha para correntes elevadas.

Mas a falha entre um condutor fase e o terra com amplitude menor que a do limite de atuação da proteção de sobrecorrente, poderá ocorrer, sem o devido desligamento da proteção.

Quando um cabo é danificado localmente ou uma conexão elétrica se deteriora, duas condições podem ocorrer:

1. Falha de arco em série (Figura 1):

Este fenômeno resulta de um arco entre duas partes do mesmo condutor. Sempre que um condutor estiver danificado ou uma conexão não estiver devidamente apertada, irá ocorrer um ponto quente localizado que carboniza os materiais isolantes nas proximidades.

Sendo o carbono, produto resultante na queima do isolante de um material condutor, permite o fluxo da corrente que se torna excessivo em vários pontos. Como o carbono é depositado de maneira não homogênea, as correntes que passam por ele geram arcos elétricos para facilitar seu trajeto. Então, cada arco amplifica a carbonização dos materiais isolantes, resultando em uma reação que é mantida até que a quantidade de carbono seja alta o suficiente para que um arco a inflame espontaneamente (Figura 2).

Falha de arco paralelo, curto-circuito resistivo – (Figura 3):

Este fenômeno acontece entre dois condutores diferentes.

Sempre que os materiais isolantes entre dois condutores energizados forem danificados, uma corrente significativa pode ser estabelecida entre os dois condutores, mas é de amplitude baixa para ser considerado como um curto-circuito e ocasionar o disparo de um disjuntor. Por ser entre dois condutores, dispositivos de proteção contra por corrente residual não detecta, pois esta corrente não vai para a terra.

Ao passar por estes materiais isolantes, estas correntes de fuga otimizam seus caminhos gerando arcos que transformam gradativamente os materiais isolantes em carbono. Assim, a mesma degradação irá ocorrer, formando mais carbono e gerando mais aquecimento até o incêndio.

A característica comum destes fenômenos é a ignição por arcos ocasionando fogo, por isso a detecção da presença de arcos é uma forma de evitar que eles se transformem em desastre.

Esses fenômenos podem ocorrer normalmente nas seguintes situações:

• Cordões de alimentação sujeitos a esforços excessivos;
• Defeitos ou mau contato nos cordões de alimentação;
• Mau contato ou conexões inapropriadas na emenda de cabos;
• Danos acidentais na isolação de condutores;
• Envelhecimento da isolação ou degradação por exposição a agentes externos;
• Falta de aperto, mau contato ou perda parcial das conexões elétricas;
• Danos ocasionados por animais roedores.

A tecnologia do dispositivo de detecção de falha de arco (AFDD) torna possível detectar perigos à arcos e assim proteger as instalações.

Tais dispositivos foram implantados com sucesso nos Estados Unidos desde o início da década de 2000, e sua instalação é exigida pela NEC (National Electric Code) desde 2013, a Norma Internacional IEC 62606 define Dispositivos Detecção de Falha de Arco (AFDD) como sendo equipamentos que detectam a presença de arcos elétricos perigosos e interrompam a fonte de alimentação do circuito para evitar o início da primeira chama.

A velocidade é essencial, pois um arco elétrico pode se transformar em um flash (literalmente), incendiar qualquer material inflamável próximo e causar um incêndio. De acordo com IEC 62606, os dispositivos de detecção de falha de arco devem reagir muito rapidamente em caso de falhas de arco e isolar o circuito dentro de um tempo limitado. 

Esses perigosos arcos elétricos não são detectados por dispositivos de corrente residual nem por disjuntores ou fusíveis.

A figura 4 mostra um comparativo entre curvas de atuação de disjuntores IEC curvas B, C e D com o tempo de atuação do AFDD. Mesmo em correntes menores que a nominal do disjuntor, há a atuação do dispositivo de arco.

O dispositivo de detecção de falha de arco monitora em tempo real vários parâmetros elétricos do circuito que protege (Figura – 5) para detectar informações características da presença de arcos elétricos perigosos, em função da forma de onda  (Figura – 6).

Alguns parâmetros que são usados para detectar a presença de arcos:

• A corrente do arco em série é perigosa assim que seu valor for igual ou exceder a 2,5 A;
• A duração e/ou aparecimento do arco muito curto é característico da operação normal de um interruptor;
• A irregularidade do arco (os arcos dos motores com escovas, por exemplo, são bastante regulares e como tais não deve ser considerado perigoso);
• A distorção do sinal de corrente no momento de seu cruzamento por zero é característica da presença de arco elétrico: a corrente flui somente após o aparecimento de um arco que necessita de uma tensão mínima para ser criado;
• A presença de perturbações em níveis variados de diferentes frequências é característica da passagem de uma corrente através de materiais heterogêneos (como isolamento de cabos).

Dispositivos de detecção de falha de arco (Figura 7) são projetados para limitar os riscos de incêndio causados pela presença de correntes de arco nos circuitos terminais de uma instalação fixa.

São instalados em quadros elétricos para proteger circuitos que fornecem energia a tomadas e iluminação e são especialmente recomendados em casos de reforma e/ou atualização das instalações elétricas.

Desde 2014, a Norma Internacional IEC 60364 – Instalações elétricas de edifícios Parte 4-42, faz as seguintes recomendações, relacionadas à instalação e ambientes de aplicação de AFDDs em edifícios residenciais e comerciais:

• Em locais com acomodações para dormir, como hotéis, lares de idosos, quartos em locais de habitação;
• Em locais com riscos de incêndio devido a grandes quantidades de materiais inflamáveis, como celeiros, marcenarias, depósitos de materiais combustíveis;
• Em ambientes com materiais de construção combustíveis, como edifícios de madeira ou aglomerados;
• Em estruturas de fácil propagação de incêndio, como edifícios altos;
• Em locais onde estão alojados bens insubstituíveis, como museus e antiquários.

Recomenda-se que os AFDDs sejam instalados em circuitos terminais a proteger (isto é, quadro eléctrico de uma instalação).

Mais especificamente, a instalação do AFDD é altamente recomendada para proteger circuitos com maior risco de incêndio, tais como:

• Cabos salientes ou expostos (risco de impactos mecânicos);
• Cabos áreas externas (maior risco de deterioração);
• Cabos desprotegidos em áreas isoladas (como depósitos);
• Fiação envelhecida e deteriorada ou fiação para a qual as caixas de conexão são inacessíveis.

A ligação dos  AFDD deve ser feita com a passagem dos dois condutores que alimentam o circuito, independente se seja de duas fases ou uma fase e neutro. Isso se dá para poder monitorar tensão e corrente para detecção de arcos conforme mostrado na figura 5.

Para facilitar o uso e a verificação do dispositivo, existe um botão teste que executa e verifica se há o desligamento adequado.

Sobre o autor

*Luiz Carlos Catelani Junior é engenheiro eletricista pela Unicamp, com ampla experiência em proteção de sistemas elétricos, subestações AT, linhas de transmissão elétrica e plantas industriais. Ao longo de sua carreira, tem desenvolvido atividades ligadas à geração de fontes renováveis, sendo, atualmente, um dos principais especialistas do país em análise de energia incidente de média e alta tensão – ATPV e Arc Flash.