Neste artigo vamos abordar o cálculo de energia incidente de acordo com a norma internacional IEEE 1584 2018. O cálculo da energia incidente é importante para quantificar o risco de um arco elétrico, com esse cálculo podemos adotar as medidas de proteção adequadas.
O arco elétrico ocorre quando há uma ruptura dielétrica, produzindo uma descarga elétrica, permitindo a passagem da corrente elétrica entre dois pontos com diferença de potencial. Este material isolante, dielétrico, pode ser qualquer material isolante como uma borracha ou o próprio ar provocando um aumento brusco de temperatura e pressão, tendo um alto potencial de destruição e danos a vida.
Apresentemos algumas das principais causas da ocorrência do arco elétrico:
> Poeira e impurezas acumuladas nos isoladores e equipamentos;
> Descargas parciais ou isolamento depreciado;
> Centelhamento devido a sobretensão e transitório;
> Manobras indevidas (aberturas em carga de seccionadoras não adequadas a manobra);
> Contato acidental em partes vivas;
> Reposição de fusíveis com contator ou disjuntor energizado, ou em curto.
A energia incidente compreende na dissipação da energia derivado do fenômeno de um arco elétrico, em outras palavras, é a quantidade de energia térmica incidida em uma superfície a uma certa distância da fonte em decorrência de um arco voltaico, calculada em cal/cm².
De acordo com a norma IEEE 1584 2018 para este cálculo o sistema deve apresentar as seguintes condições:
> Deve ser um sistema trifásico com tensões na faixa entre 208 e 15000V;
> Frequência de 50 ou 60Hz.
> Corrente de curto-circuito em valor eficaz da componente simétrica:
Entre 208 V e 600 V: de 500 A a 106 kA.
Entre 601 V e 15000 V: de 200 A a 65 kA.
> Espaçamento entre condutores:
Entre 208V e 600V: 6,35mm a 76,2mm
Entre 601V e 15000V: 19,05mm a 254mm
> Distância de trabalho maior ou igual a 305mm.
Primeiramente vamos determinar a corrente de arco, que depende, principalmente, dos valores de corrente de curto-circuito, tensão do sistema, arranjo e espaçamento entre os condutores. Temos dois modelos para o cálculo de arco elétrico para circuito aberto.
O primeiro é para tensões entre 600V e 15kV obtido pela seguinte equação.
onde:
𝐺 – distância típica entre condutores [mm];
𝐼𝑏𝑓 – corrente de curto-circuito trifásico simétrico [kA];
𝐼𝑎𝑟𝑐_600- corrente de arco para tensão do sistema em 600 V [kA];
𝐼𝑎𝑟𝑐_2700 – corrente de arco para tensão do sistema em 2700 V [kA];
𝐼𝑎𝑟𝑐_14300- corrente de arco para tensão do sistema em 14300 V [kA];
𝑘1 𝑎 𝑘10 – coeficiente fornecidos pela IEEE 1584, na Tabela 1 do Anexo 3.
O segundo modelo é para tensões entre 208V e 600V, e podemos obter a corrente de arco de acordo com a equação a seguir:
onde:
𝑉𝑜𝑐- tensão do sistema [kV];
𝐼𝑏𝑓 – corrente de curto-circuito trifásico simétrico [kA];
𝐼𝑎𝑟𝑐- corrente de arco para a tensão nominal do sistema [kA];
𝐼𝑎𝑟𝑐_600 – corrente de arco para tensão do sistema em 600 V [kA].
É necessário o cálculo da corrente de arco mínima em razão da grande variação de magnitude que o arco pode apresentar.
𝐶𝐹𝐼𝑎𝑟𝑐 = 𝑘1 x 𝑉𝑜𝑐6 + 𝑘2 x 𝑉𝑜𝑐5 + 𝑘3 x 𝑉𝑜𝑐4 + 𝑘4 x 𝑉𝑜𝑐3 + 𝑘5 x 𝑉𝑜𝑐2 + 𝑘6 x 𝑉𝑜𝑐 + 𝑘7
onde:
𝑉𝑜𝑐- tensão do sistema [kV];
𝐶𝐹𝐼𝑎𝑟𝑐- fator de correção de variação de 𝐼𝑎𝑟𝑐;
𝐼𝑎𝑟𝑐- corrente de arco para a tensão nominal do sistema, [kA];
𝐼𝑎𝑟𝑐_𝑚𝑖𝑛- corrente de arco mínima baseada no fator de correção de variação de corrente de arco, [kA];
𝐼𝑏𝑓- corrente de curto circuito trifásico simétrico [kA];
𝑘1 𝑎 𝑘7 – coeficientes fornecidos pela IEEE 1584, na Tabela 2 do Anexo 3.
A duração do arco elétrico deve ser realizada a partir do tempo de atuação das proteções do sistema, considerando a proteção à montante. O tempo de interrupção do arco, o tempo que leva para o arco extinguir, é a soma do tempo de sensibilização da proteção com o tempo de abertura física do equipamento.
Agora poderemos calcular a energia incidente com todos esses dados calculados previamente. Vamos calcular os valores intermediários e posteriormente aplicar as equações de interpolação para adquirir os valores finais da energia incidente.
Sendo:
C2 = k4 x Ibf7 + k5 x Ibf6 + k6 x Ibf5 + k7 x Ibf4 + k8 x Ibf3 + k9 x Ibf2 + k10 x Ibf
C3 = k11 x logIbf + k12 x logD + log1CF
onde:
𝐸𝑉𝑜𝑐 – energia incidente quando a tensão de circuito aberto Voc é de 600 V, 2700 V, 14300 V ou ≤ 600 [J/cm²];
𝑇 – tempo de duração do arco [s];
𝐺 – distância típica entre condutores [mm];
𝐼𝑎𝑟𝑐𝑉𝑜𝑐- corrente de arco para tensão do sistema Voc é de 600 V, 2700 V, 14300 V ou ≤ 600 [kA]; v
𝐼𝑏𝑓- corrente de curto circuito trifásico simétrico [kA];
𝑘1 𝑎 𝑘13 – coeficientes fornecidos pela IEE 1584 -2018, Tabela 3 a 5 do Anexo 3.
E por fim aplicamos as equações de interpolação para obter o valor da energia incidente em J/cm², para converter o valor para cal/cm² basta dividir o valor por 4,184.
onde:
– Primeiro termo da interpolação para tensão do sistema entre 600 V e 2700 V, [J/cm²];
– Segundo termo da interpolação para tensão do sistema maior que 2700 V, [J/cm²];
– Terceiro termo da interpolação para tensão do sistema menor que 2700 V, [J/cm²];
Esse cálculo é importante para saber qual o risco envolvido no pior caso, em uma situação de arco elétrico, e tomar as medidas necessárias para resguardar o trabalhador e definir os EPI’s e EPC’s adequados na subestação.
Referências Bibliográficas:
IEEE 1584 2018 – IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations
Equipe Mesh Engenharia,
⚡ Junte-se aos mais de 1800 alunos que já estão trilhando o caminho do sucesso com o curso de Projetos de Subestação e Estudos de Proteção. Venha fazer parte dessa jornada conosco! Clique aqui e faça sua inscrição.
