ARC FLASHES PROTECTION DEVICES AGAINST MOTOR CONTROL CENTER(MCC)
REGISTRO DOI:10.5281/zenodo.11660429
Octávio Scatolin Mazeo 1
Ronaldo Gomes Figueira 2
Resumo:
Arcos elétricos representam um grande problema à segurança e integridade fisica dos trabalhadores envolvidos em uma atividade no centro de controle de motores(CCM) além de causar danos e estragos enormes aos equipamentos. Este estudo aborda sobre os riscos de um arco elétrico e as formas de mitigar e reduzir os danos e evitar acidentes utilizando equipamentos e sistemas que realizam essa proteção. O trabalho adota uma abordagem, envolvendo revisão bibliográfica, análise de dados e pesquisa de campo em indústrias. Este artigo revisa detalhadamente os dispositivos de proteção contra arco, principalmente os relés e sensores utilizados para proteção nos CCM. Neste estudo, verifica-se que um sistema convencional com disjuntor apresenta um risco alto ao trabalhadores envolvidos na atividade e mostra uma solução utilizando o sistema de proteção de arco.
Palavras-chave: Arco elétrico; CCM; Automação Industrial
Abstract:
Electric arcs represent a major problem for the safety and physical integrity of workers involved in an activity in the motor control center (MCC) in addition to causing enormous damage and damage to equipment. This study discusses the risks of an electrical arc and ways to mitigate and reduce damage and avoid accidents using equipment and systems that provide this protection. The work adopts an approach, involving bibliographic review, data analysis and field research in industries. This article reviews in detail the arc protection devices, mainly the relays and sensors used for protection in MCCs. In this study, it is verified that a conventional system with a circuit breaker presents a high risk to workers involved in the activity and shows a solution using the arc protection system
Key-words: Arc Flashes. MCC. Industrial Automation.
1. INTRODUÇÃO
Os Centros de controle de motores (CCM) são componentes vitais em ambientes industriais e fábricas, sendo responsáveis pelo controle e operações de motores elétricos e demais cargas de diversas aplicações. A ocorrência de um arco elétrico além de danificar seriamente os equipamentos, pode causar sérios acidentes com trabalhadores envolvidos na atividade, e em alguns casos vindo a óbito.
Os acidentes envolvendo energia elétrica ocorrem diariamente no Brasil, segundo a Associação Brasileira de Conscientização para os Perigos da Eletricidade (ABRACOPEL) no ano de 2023 aconteceram 2.089 acidentes de origem elétrica, desse número 781 (37,4%) dos casos ocorreram mortes, conforme gráfico mostrado abaixo.
Fonte: Gráfico 1 – Anuário 2024 Abracopel
Mesmo possuindo uma norma para as atividades envolvendo energia elétrica, a NR-10 onde a pessoa habilitada deve seguir vários procedimentos e utilizar EPI´s e EPC´s para evitar um acidente, muita das vezes o mesmo ocorre.
Atualmente alguns fabricantes de materiais elétricos tem em seu escopo dispositivos que conseguem mitigar e inibir o arco elétrico evitando a expansão do mesmo, por exemplo, sensores de fibra óptica juntamente com um relé de monitoramento desse sensor.
Diariamente empresas relatam eventos envolvendo arco elétrico, muitas das vezes essas empresas esperam ocorrer algo grave para realizar a proteção, quando os eventos ocorrem vários equipamentos são destruídos impactando a produção da empresa e até mesmo o pior, tendo vitimas fatais (CASTELLANE FERREIRA).
Este artigo explora em detalhes esses dispositivos de proteção contra arco elétrico, fornecendo uma análise da importância da instalação destes dispositivos, seu funcionamento e eficácia na prevenção de acidentes.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. ARCO ELÉTRICO
O arco elétrico ocorre quando a corrente elétrica passa por um material que normalmente não conduz eletricidade, como o ar, movendo-se em alta velocidade. Esses arcos são geralmente causados por falhas, especialmente curtos-circuitos entre fases ou entre fase e terra. A maioria dessas falhas começam com um curto-circuito entre fase e terra e rapidamente evolui para um curto-circuito trifásico. Arcos elétricos geram calor intenso, podem causar explosões, ondas de pressão e outros efeitos perigosos.
Devido à sua capacidade de liberar uma grande quantidade de energia em um curto período, o arco elétrico é um dos principais riscos associados à eletricidade, ao lado do choque elétrico. Os danos causados por um arco podem resultar em perdas financeiras significativas, já que sua ocorrência pode levar à destruição completa de painéis elétricos, afetando assim a lucratividade de uma empresa devido a perdas de receita. Além disso, os efeitos do arco podem ser fatais para os trabalhadores, pois a energia liberada pode causar queimaduras letais.
A principal preocupação com o arco elétrico está na sua alta temperatura. No ponto onde se origina, a temperatura pode alcançar cerca de 20.000 ºC, o que é quatro vezes mais quente que a superfície do sol. Nenhum material conhecido na Terra é capaz de resistir a essa temperatura sem derreter e vaporizar.
A combinação de todos os efeitos durante um arco elétrico apresenta vários riscos para os seres humanos, incluindo:
- Queimaduras graves
- Traumatismo craniano
- Esmagamento dos pulmões
- Possibilidade de amputação de membros
- Perda de audição
- Ferimentos causados por estilhaços
- Fraturas ósseas
- Cegueira
- Risco de morte
A energia incidente, expressa em cal/cm², refere-se à energia liberada no momento em que ocorre um arco elétrico e pode ser entendida como a quantidade de energia que atinge uma superfície a uma determinada distância da fonte. Essa energia é a responsável pelos efeitos do arco elétrico.
2.2 SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA ARCO
Diversos dispositivos de proteção foram desenvolvidos para mitigar os riscos associados a arcos elétricos em painéis e CCM, o principal é o relé de proteção de arco juntamente com um sistema de sensores.
Estes sensores são projetados para detectar a radiação ultravioleta emitida durante os eventos de um arco elétrico, antes da sua fase de expansão e destruição. Ao identificar variações na intensidade da radiação, os sensores enviam o sinal para o relé que monitora, fazendo com que o relé desarme o circuito, desligando o sistema elétrico do painel, diminiundo assim os danos, sem necessidade de realizar a leitura de corrente.
Atualmente existem dois sensores UV, sensor UVA que detecta a radiação ultravioleta A, para aplicações em abientes abrigados até 3kV e o sensor UVB que detecta a ultravioleta B, para ambiente não abrigados ou acima de 3kV.
Ambas radiações A e B, possuem um comprimento de onda menor que a luz visível para o ser humano.
Sendo a ultravioleta A com um comprimento de onda de 315 nm – 400 nm, a ultravioleta B com 280 nm – 315 nm e a luz visível possuindo 400 – 700nm.
Os sensores UVB não atuam com a luz ambiente, dessa forma não causando um falso trip no sistema.
Além disso os sensores possuem um grau de detecção de 90º, facilitando a instalação nos painéis.
Na figura 1, está um modelo de relé e sensores UV formando um sistema de proteção contra arco.
Figura 1. Relé e sensores UV. Fonte: Varixx
2.3. CENTROS DE CONTROLE DE MOTORES(CCM)
Os centros de controle de motores, ou por sua abreviação CCM, são painéis elétricos compostos com componentes para partida, parada e proteção de motores e demais cargas elétricas e são essenciais em ambientes industriais.
Sua composição física é montada em paineis elétricos em colunas e em suas colunas são montadas as gavetas organizadas de forma vertical, tendo seu tamanho conforme a potência, tipo de carga e acionamento.
Na Figura 2, está um exemplo de CCM montado e suas gavetas com os acionamentos para diversas cargas.
Figura 2. CCM
Fonte: Rockwell
3. DESENVOLVIMENTO
A implementação eficaz dos dispositivos de proteção contra arco elétrico em CCM enfrenta diversos desafios, incluindo a seleção adequada dos dispositivos com base nas características do sistema elétrico e a integração adequada do sistema com os demais dispositivos de proteção do CCM.
A seleção adequada dos dispositivos de proteção para o sistema de proteção contra arco elétrico requer uma análise do CCM e espaço para ser instalado os sensores em pontos estratégicos do painel, onde podem ocorrer possíveis curtos-circuitos.
Após a instalação dos sensores no painel nos lugares especificos, o relé deve ser parametrizado para realizar a proteção.
Realizado a conexão e configuração, deve ser feita a integração do relé com os demais equipamentos de proteção do CCM, por exemplo, os disjuntores de entrada de alimentação do barramento principal do centro de controle de mototores, fazendo com que quando ocorrer um arco elétrico, o relé realizar o trip e fazer a proteção do sistema, desernegizando o painel.
Nas figuras abaixo está mostrando o exemplo de instalação dos sensores para proteção do CCM.
Na figura 3 e 4, mostra a instalação dos sensores UV no compartimento de entrada e barramento principal do CCM.
Figura 3. Sensores UV.
Fonte: Autor.
Figura 4. Sensores UV.
Fonte: Autor.
Existe cinco diferentes fases do arco elétrico, conforme figura 5, onde os sensores detectam o arco e atuam nas primeiras fases do arco, caracterizidas de pré arco e compressão.
Figura 5. Fases do Arco
Fonte: Varixx
Pré Arco: Durante a ionização do ar e a criação do canal para a ocorrência do arco elétrico, há a emissão de radiação ultravioleta, geralmente ocorrendo em um intervalo de 0 a 5 milissegundos.
Compressão: A energia do arco elétrico é liberada no ar presente no ambiente, resultando em um aumento subsequente da pressão, normalmente ocorrendo dentro de um intervalo de 5 a 15 milissegundos.
Expansão: O aumento da pressão causado pela fase anterior aciona o mecanismo de alívio, levando à expulsão do ar para fora, resultando na diminuição da pressão interna, geralmente ocorrendo entre 15 e 40 milissegundos.
Expulsão: A pressão dentro do recinto diminui, mas o ar quente continua sendo expelido a uma pressão aproximadamente constante. Isso resulta em um aumento potencial da temperatura. A expulsão de ar tende a diminuir quando o ambiente interno do recinto alcança a temperatura do arco elétrico, geralmente ocorrendo entre 40 e 60 milissegundos.
Térmica: O arco elétrico afeta completamente os materiais isolantes, elevando a temperatura a milhares de graus Celsius, o que leva à fusão dos materiais condutores e estruturais. Essa fase persiste até que a energia seja dissipada.
A detecção do sensor determina a área onde é possível identificar a presença do arco elétrico, os sensores possuem um alcance de 90º dessa forma cobrindo totalmente o espaço em um painel sendo instalados estrategicamentes, a seguir na figura 6 e 7, é possível verificar o projeto de instalação dos sensores para atender a proteção.
Figura 6. Vista traseira da coluna do CCM.
Fonte: Autor.
Em laranja está o barramento principal do CCM, onde está sujeito a ocorrer um possível curto circuito, e posteriormente o arco elétrico.
Em vermelho estão os sensores instalados da forma correta para a detecção de 100% do barramento principal.
Figura 7. Vista frontal da coluna do CCM.
Fonte: Autor
Em laranja estão os locais onde serão ligados os cabos para os motores no CCM, local onde também pode ocorrer curto circuito e posteriormente o arco elétrico.
Em vermelho está a instalação dos sensores para atender a proteção da coluna do CCM, detectando 100% a área necessária.
A energia incidente, expressa em calorias por centímetro quadrado(cal/cm²), refere-se à energia liberada durante a ocorrência do arco elétrico e pode ser entendida como a quantidade de energia que atinge uma superfície a uma determinada distância. Essa energia é a causa dos efeitos de um arco elétrico.
Em CCM é adotado o método de cálculo proposto na norma IEEE 1584- 2018(IEEE,2018) utilizando as variáveis referente ao CCM, os principais fatores para determinar a energia incidente incluem a tensão de alimentação, corrente de curto-circuito, tempo de abertura do sistema, configuração dos eletrodos e as dimensões do painel.
Para o estudo de caso presente neste artigo foi escolhido um CCM com as características demonstradas na Tabela 1.
Tabela 1 – Dados do CCM
| Dados | Valores |
| Tipo de eletrodos | VCB |
| Tensão | 440 V |
| Corrente de curto-circuito | 20 kA |
| Distância entre as fases | 25 mm |
| Distância de trabalho | 455 mm |
Fonte: Autor
4. RESULTADOS
Após determinar a corrente e tempo de arco, dados necessários para realizar o cálculo conforme a norma IEEE 1584-2018, na Tabela 2 estão representados os dados e resultado da energia incidente e distância segura para trabalho no CCM, somente com o sistema convencional de proteção através de um disjuntor, fazendo a leitura da corrente.
Onde o tempo máximo de abertura do disjuntor é de 0,070 s, resultando o tempo de arco o valor do tempo de abertura mais o tempo da curva do disjuntor com a corrente de arco, resultando em 0,730 s.
Tabela 2 – Energia incidente CCM com proteção do disjuntor por corrente
| Dados | Valores |
| Corrente de arco | 12,91 kA |
| Tempo de abertura | 0,070 s |
| Tempo de arco | 0,730 s |
| Energia incidente | 22,47 cal/cm² |
| Distância segura | 2846,41 mm |
Fonte: Autor
Verificando a Tabela 2, os resultados apresentaram um valor alto de energia incidente e distância segura para trabalho, sendo assim tornando um estado crítico para as atividades realizadas no CCM e em uma possível ocorrência de arco elétrico.
A medida mais adequada é a instalação do relé e sensores UV, formando um sistema de proteção contra arco elétrico, sendo possível desligar a energia quando ocorrer um curto em um tempo mínimo.
Para o estudo de caso, será condiderado a instalação do relé e sensor Zyggot Arc-Varixx (VARIXX) que possui um tempo de detecção e atuação de 300 microssegundos. Sendo assim, o tempo de interrupção do arco será a soma do tempo de abertura do disjuntor de 0,075 s com o tempo do relé mencionado de 0,0003 s, resultando em 0,0703 s.
Tabela 3 – Energia incidente CCM com sistema de proteção contra arco
| Dados | Valores |
| Corrente de arco | 12,91 kA |
| Tempo de abertura | 0,070 s |
| Tempo de arco | 0,0703 s |
| Energia incidente | 2,16 cal/cm² |
| Distância segura | 658,05 mm |
Fonte: Autor
Ao analisar as Tabelas 2 e 3, é visto a diferença de energia incidente em um CCM com o sistema de proteção contra arco e em um CCM somente com a proteção do disjuntor. A utilização do relé de monitoramento de arco resultou em uma redução dos níveis de energia, cumprindo o objetivo de diminuir os valores e realizar uma melhor proteção. Além disso, o operador pode estar consideravelmente mais próximo do painel sem comprometer a segurança.
5. CONCLUSÃO
Neste estudo, foi conduzida uma avaliação dos perigos associados ao arco elétrico, visando a definição de um método para diminiur a energia incidente em CCM.
Para calcular a energia incidente, foi selecionado o método da IEE 1584-2018. Esta metodologia é amplamente reconhecida no ambiente industrial.
Níveis mais baixos de energia incidente leva à redução dos custos com vestimentas de proteção para os trabalhadores, tornando viável o investimento na implementação do sistema de detecção de arco com sensores UV. Além de garantir a eficiência operacional da fábrica, isso evita paralisações desnecessárias na produção, diminiu os riscos para os operadores e preserva a integridade física dos centros de controle de motores.
A implementação do sistema de detecção de arco demonstrou ser altamente eficaz para mitigar os danos causados pelo arco elétrico, resultando em uma melhoria significativa de aproximadamente 90% na redução da energia incidente. Os resultados obtidos validam a importância da tecnologia de detecção de arco em CCM, destacando seu papel fundamental na prevenção de acidentes e na manutenção dos equipamentos.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
IEEE. IEEE 1584: IEEE – Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations. 2018
MARTINHO, Edson. DE SOUZA, Danilo Ferreira; MARTINHO, Meire Biudes; MARTINS JR. Walter Aguiar. MORITA, Lia Hanna Martins; MAIONCHI, Daniela de Oliveira (Org.). ANUÁRIO ESTATÍSTICO DE ACIDENTES DE ORIGEM ELÉTRICA 2024 – Ano base 2023. Salto-SP: Abracopel, 2023. DOI: 10.29327/5388685
VARIXX. ZYGGOT ARC – SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA ARCO VOLTAICO. Disponível em: https://www.varixx.com.br/detalhes-produto/3/zyggot-arc-sistema-de-protecao- contra-arco-voltaico
VARIXX. Blog. O Arco elétrico pode representar altos riscos, mas é possível traçar estratégias para minimizá-los. Disponível em: https://www.varixx.com.br/detalhes-blog/3
A. R. S QUEIROZ.IEEE 1584 os métodos para cálculo de energia incidente e distância segura de aproximação. O setor elétrico,vol1,n.110.Disponível em: http://www.osetoreletrico.com.br/wpcontent/uploads/documentos/fasciculos/Ed76_fasc_arco_elet rico_cap5.pdf
1Graduando do Curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Araraquara- UNIARA. Araraquara-SP. E- mail: mazeo.octavio@gmail.com. ORCID: 0009-0006-2907-7898
2Docente Curso de Engenharia Elétrica da Universidade de Araraquara- UNIARA. Araraquara-SP. E-mail: rfigueira@uniara.edu.br. ORCID: 0000-0002-0851-0561