Tecnologia para redução da energia incidente nas instalações industriais

 Edição 97 – Fevereiro de 2014
Aula prática: Segurança
Por Vagner José dos Santos e Wendel Rosado Baldon*

Diversos estudos e tecnologias vêm sendo empregados a fim de se determinar os riscos inerentes ao arco elétrico e garantir que os trabalhadores façam seus trabalhos com segurança.

A fim de determinar os riscos inerentes ao arco elétrico oriundo de um curto-circuito, vários estudos têm sido foco de especialistas nos últimos anos e várias tecnologias vêm sendo empregadas para garantir que os trabalhadores desempenhem seus trabalhos com segurança e que os riscos sejam minimizados ao máximo. Dentre estas metodologias destacam-se: seletividade lógica, relé diferencial de barra, relé de arco, substituição de relé eletromecânico, seccionadora de alta velocidade, reatores, transformador de alta impedância, limitador pirotécnico, resistor de alto valor, resistor de baixo valor, painéis de baixa e média tensão testados, e segundo grupo de ajuste dos relés de proteção ativo.

A necessidade de substituir os relés de proteção eletromecânicos por eletrônicos trouxe recursos que, na maioria das vezes, não eram utilizados na filosofia de proteção empregada, como o segundo grupo de ajuste, que para redução da energia incidente vem sendo aplicado em uma indústria de grande porte há dois anos. Esta metodologia visa minimizar os efeitos da energia incidente quando de um curto-circuito nas pessoas que trabalham nas instalações elétricas energizadas, sendo que nesta condição a seletividade poderá ser comprometida, não abordando, portanto, seus efeitos dinâmicos.

Na maioria dos casos, os custos inerentes à implantação destas várias metodologias para redução da energia incidente apresentada acima são altos, necessitando de grandes paradas no processo produtivo para serem implementadas.

Outro fato muito importante é que, para qualquer que seja a metodologia a ser empregada, alguns fatores devem ser observados antes de utilizá-la, tais como: ter em mãos estudo de curto-circuito e seletividade da planta; profissional habilitado para execução dos trabalhos; e procedimentos específicos para trabalhos nas instalações.

Estudo de curto-circuito e seletividade – Pelo estudo de curto-circuito é possível determinar as correntes de curto-circuito I_bf, corrente de curto-circuito para faltas trifásicas em kA e I_a corrente de arco elétrico em kA em todas as barras do sistema elétrico.

A quantidade de energia a que um trabalhador pode estar exposto está relacionada diretamente a corrente de curto-circuito pelo tempo (I²*t), sendo que a única variável que pode ser facilmente controlada é o tempo de atuação do sistema de proteção, definido pelo estudo de seletividade, e que sofrerá alteração em sua unidade instantânea, fazendo com que a energia incidente diminua com um tempo menor.

Profissional habilitado para realizar os estudos – De acordo com o IEEE 1584, são necessários nove passos para se determinar a energia incidente de uma instalação, obedecendo a seguinte ordem: coleta de dados dos equipamentos elétricos das instalações e do sistema; determinação da forma operacional do sistema; cálculo das correntes de curto-circuito nas barras; cálculo das correntes de arco nas barras; levantamento do tempo de atuação da proteção e cálculo do tempo de duração do arco; determinação da tensão e a classe dos equipamentos; determinação da distância de trabalho; cálculo a energia incidente nas barras; e determinação da distância segura de aproximação contra arco elétrico. Em função da complexidade dos trabalhos a serem executados, reforça-se a necessidade de profissional com expertise em sistema elétrico de potência para analisar/executar os estudos propondo mudanças que acarretem na diminuição da energia incidente.

Procedimentos – Os procedimentos são muito importantes para que haja uma conscientização dos profissionais que lidam com as instalações energizadas quanto ao fato de que um simples ato de mudar uma chave poderá minimizar os efeitos do arco ou até mesmo salvar suas vidas.

Princípio de funcionamento

O princípio de funcionamento da metodologia do segundo grupo de ajuste é muito simples, sendo o mesmo composto por uma chave seletora que quando ativada envia sinal ao relé de proteção que, por sua vez, altera a função de proteção 50 para valores mais sensíveis, conforme a Figura 1 itens a e b.

De forma a garantir que o grupo de ajuste esteja ativo enquanto houver pessoas dentro das subestações, um painel com uma chave seletora foi instalada na entrada de cada uma delas, e ela deverá ser bloqueada por todos que venham adentrar as instalações. O bloqueio é composto por um cadeado e cartão de identificação pessoal.

A Figura 2 demonstra o comportamento de uma curva de proteção de um barramento em que se utiliza do estudo de seletividade sem o segundo grupo de ajuste ativo, e a energia incidente calculada é de 22 cal/cm² cat03. Já a Figura 3 busca retratar uma condição em que o segundo grupo de ajuste é solicitado e a mudança da energia de incidente cai para 4 cal/cm² cat02.

Estudo de caso

O curto-circuito aconteceu após retorno de um equipamento que havia sofrido parada para manutenção, e, conforme procedimento para liberação de equipamento para manutenção corretiva, é prevista a extração e o bloqueio do contator que alimenta a carga. O barramento da carga é alimentado em 4,16 kV. No retorno operacional da carga o contator, foi inserido no cubículo e liberado para funcionamento e, após algum tempo, houve um curto-circuito nesta carga originando derretimento das tulipas do contator conforme a Figura 4.

Neste tipo de instalação é comum identificar sobreposição das tulipas na barra fixa do painel ou até mesmo empeno das barras do contator e/ou paine

l provocando aquecimento e consequentemente curto-circuito. A Figura 5 exemplifica uma situação onde houve sobreposição das tulipas devido a fragilidade do material utilizado na construção do braço do contator.

Os registros fotográficos e a oscilografia do relé de proteção comprovam que o curto-circuito foi trifásico e, portanto, as três tulipas foram danificadas.

Pontos relevantes do registro: falta trifásica com valor RMS de cerca de 2,5 kA,
a primeira proteção a ser sensibilizada com a falta foi a função 51, sendo que o responsável pelo envio do sinal de trip foi a função 50; o tempo de abertura do disjuntor foi de cerca de 100 ms, valores estes compatíveis com valores estudados e implementados no relé de proteção.

Os danos ao painel se limitaram ao derretimento de uma pequena quantidade de cobre dos contatos fixos da barra e das garras do contator de média tensão envolvido. Para liberação foi necessária a substituição dos contatos fixos do painel, além da utilização de um contator reserva, e houve a necessidade de realizar uma pequena limpeza no interior do cubículo antes de liberá-lo para energização. Destaca-se, ainda, que não houve danos a equipamentos instalados na porta deste painel, bem como demais componentes que o constituem, e que sofreram a ação do curto-circuito em função de sua característica construtiva que não existe segregação.

Conclusão

Ficou evidenciado pelos fatos apresentados que, neste evento ocorrido no cubículo de média tensão, as consequências poderiam ser mais graves caso o segundo grupo de ajustes do relé não estivesse selecionado. Isso é reforçado pelo relato daqueles que atenderam a ocorrência e já tiveram outras experiências semelhantes.

O sistema de grupo de ajuste tem se mostrado uma forma eficaz de reduzir os níveis de energia incidente e minimizar os efeitos do curto-circuito nas instalações, mas deve ser visto como uma forma paliativa, para uso somente em período de transição para medidas de proteção com abrangência maior para as pessoas que lidam com instalações energizadas, garantindo também a segurança quando de uma falha do sistema de proteção da instalação contra os riscos elétricos e efeitos dinâmicos que atualmente são esquecidos.

Referências

• Lee, R. The other electrical hazard: electrical arc blast burns. IEEE Transactions on Industry Applications, v. 1A-18, n. 3, p. 246, maio/jun. 1982.
• Guide for performance arc-flash hazard calculations. IEEE Std 1584. IEEE-SA Standards Board. Approved 12 set. 2002.
• Occupational safety and health administration. OSHA 3151-12R 2003.
• NFPA 70e standard for electrical safety in the workplace 2009 Edition.
• JOSÉ, Vagner. A energia incidente na instalações industriais. Escola Federal de Engenharia de Itajubá, M.G “Tese M.sc”.

*Vagner José dos Santos é engenheiro eletricista especializado em proteção de sistemas elétricos. Exerce atividades de estudos elétricos em sistemas industriais e projetos.
Wendel Rosado Baldon é engenheiro eletricista com habilitação em computação, especializado em sistemas elétricos de potência. Atua como engenheiro de manutenção em sistemas elétricos de potência.