Estudo de Energia do Arco Elétrico

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ESTUDO DE ENERGIA DO ARCO ELÉTRICO 
INCIDENTE 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
 
 
 
1 - OBJETIVO 
2 - NORMAS, CATÁLOGOS E REFERÊNCIAS 
3 - PREMISSAS 
4 - METODOLOGIA 
5 - CÁLCULOS 
6-CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES 
 2 
1 - OBJETIVO 
 
O presente estudo visa apresentar e analisar os resultados dos cálculos de 
energia incidente nos painéis para o sistema elétrico de uma indústria. Os 
cálculos têm como objetivo a determinação da distância de risco e da energia 
incidente em caso de curtos-circuitos com arco elétrico nos painéis, e 
subsidiarão a análise dos seguintes itens: 
 
•Avaliação dos tempos de atuação dos dispositivos de proteção para as 
correntes de curto-circuito limitadas por arco elétrico; 
•Avaliação da distância segura de aproximação sem o uso de vestimentas de 
proteção [2.2]. 
•Cálculo da Energia incidente máxima para os painéis do sistema da Indústria, 
oferecendo subsídios para a especificação da categoria dos equipamentos de 
proteção individual (EPI’s); 
 
Neste documento são apresentados os critérios adotados, as considerações 
sobre as quais se definiram alguns parâmetros, os resultados, as 
recomendações e as conclusões. 
Todos os critérios, cálculos e metodologia aplicados neste estudo foram 
baseados nas normas vigentes, nacionais e internacionais, conforme descrito 
na literatura de referência. 
 3 
2 - NORMAS, CATÁLOGOS E REFERÊNCIAS 
 
2.1 - IEEE Std. 141 – 1993; "IEEE Recommended Practice for Electric Power 
Distribution for Industrial Plants"; 
2.2 - IEEE Std. 1584a – 2004; "IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard 
Calculations – Amendment I"; 
2.3 - NFPA-70E – 2004; "Standard for Electrical Safety in the Workplace" – 
National Electrical Code (NEC); 
2.4 - NR-10 – "Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade" – Norma 
Regulamentadora nº 10; 
2.5 - Catálogos dos disjuntores VD4 – ABB; 
2.6 - Manual do Relé VAMP 221 (relé monitor de arco elétrico); 
2.7 - Catálogos dos disjuntores EMAX – ABB. 
2.8 - Estudo de Seletividade de Proteção da Industria; 
2.9 - Cálculo de Curto-Circuito da Industria; 
2.10 - Critérios de Projeto Elétrico de Engenharia; 
2.11 - Norma de Segurança Própia da Industria. 
 4 
3 - PREMISSAS 
 
3.1 - REQUISITOS 
 
A metodologia para determinação e cálculo da distância de risco ao arco 
elétrico e da energia incidente foi baseada nas prescrições da norma IEEE Std 
1584a-2004 [2.2]. 
Conforme descrito na Norma de Segurança da Industria, para novos projetos 
como em questão, a máxima energia incidente admissível em um painel 
elétrico, na distância de trabalho normalizada, é 33,47 J/cm² (ou 8 cal/cm²), que 
representa o limite das vestimentas de proteção de categoria de risco 2. Para 
que a energia incidente não exceda este valor, devem ser avaliadas as 
seguintes ações durante o projeto: 
· Redução do tempo de atuação dos dispositivos de proteção para as correntes 
de curto-circuito; 
· Redução da corrente de curto-circuito limitada por arco elétrico; 
· Instalação de dispositivos monitores de arco elétrico nos painéis; 
· Redução da energia térmica do arco elétrico incidente na distância de 
trabalho, através da avaliação da necessidade de trabalho nas proximidades de 
equipamentos energizados. 
 
3.2 - VESTIMENTAS DE PROTEÇÃO 
 
Tais vestimentas, além de serem inerentemente antichamas, devem suportar a 
energia que incide sobre a sua face externa, de modo a garantir que 
internamente (camada interna) a energia não exceda a 1,2cal/cm² ou 5J/cm² 
(limite da pele humana para queimaduras de 2º grau). Além disso, a vestimenta 
deverá suportar a energia incidente sem sofrer o "break open", ou seja, sem 
apresentar abertura na camada interna superior à 1/2 polegada quadrada 
(1,61cm²) em área ou rasgo superior a 1 polegada (2,54cm) em comprimento. 
As vestimentas de proteção contra arco elétrico são classificadas em 5 
categorias com diferentes capacidades de suportabilidade de energia, 
conforme apresentado na tabela abaixo: 
 5 
 
Tabela 1 - NFPA 70E - Tabela 130.7 (C)(11) 
Características das vestimentas de proteção 
Categoria 
de risco 
Descrição da vestimenta Camadas 
Suportabilidade 
do EPI (J/cm² / 
cal/cm²) 
0 
Vestimenta comum, sem 
tratamento antichama "FR", 
com tecido não fundente e com 
gramatura mínima de 152 g/m² 
(4,5 oz/sq.yd.) 
1 N/A 
1 Vestimenta antichama "FR" 1 16,74 / 4 
2 
Vestimenta antichama "FR", 
roupa de baixo em algodão 
1 ou 2 33,47 / 8 
3 
Vestimenta antichama "FR", 
roupa de baixo em algodão 
antichama "FR" 
2 ou 3 104,6 / 25 
4 
Vestimenta antichama "FR", 
roupa de baixo em algodão 
antichama "FR" 
 3 ou mais 167,36 / 40 
 
Dessa forma, torna-se necessário o cálculo da energia incidente da instalação, 
apresentada neste relatório, que servirá de subsídio para a especificação do 
EPI. 
 
4 - METODOLOGIA 
 
Conforme prescrito na norma IEEE-1584a [2.2], o cálculo para a determinação 
da energia incidente e da distância de risco ao arco elétrico deve seguir as 
etapas apresentadas nos itens a seguir: 
 
4.1 - COLETA DE DADOS DO SISTEMA ELÉTRICO 
 
A partir da análise dos documentos técnicos de referência, foram levantadas as 
seguintes informações: 
•Tensão nominal dos painéis; 
•Corrente de curto-circuito trifásica subtransitória simétrica RMS em cada um 
dos painéis, retiradas do estudo de curto circuito, considerando a pior 
condição operacional, ou seja, maior nível de curto-circuito. 
•Tipo de instalação: barramento exposto ou painel; 
•Tipo de equipamento: conjunto de manobra, CCM, cabos; 
 6 
•Gap (distância entre os condutores no local do arco elétrico): foram 
consideradas as seguintes distâncias típicas entre condutores dentro do 
painel: 
 
Tabela 2 – Gap típico 
Painel Gap (mm) 
ENTRADA 13,8 kV 120 
CDC 13,8 kV 120 
CDC 4,16 kV 90 
CDC 0,48 kV 32 
CCM 0,48 kV 25 
CDC - Centro de Distribuição de Cargas 
CCM - Centro de Controle de Motores 
 
•Os tempos de atuação da proteção foram determinados de acordo com os 
manuais dos relés e disjuntores dos respectivos demarradores; 
•Tipo de disjuntor e tempo de operação: conforme dados preliminares de 
projeto, foram considerados os seguintes disjuntores e os respectivos tempos 
de operação, obtidos nos catálogos dos fabricantes: 
 
 
Tabela 3 – Tipo e tempo de operação dos disjuntores 
Painel 
Disj 
entrada 
Fab 
1 2 3 4 
ENTRADA 13,8 kV VD4 ABB 50 7 23 80 
CDC 13,8 kV VD4 ABB 50 7 23 80 
CDC 4,16 kV VD4 ABB 50 7 23 80 
CDC 0,48 kV EMAX ABB 50 7 23 80 
CCM 0,48 kV EMAX ABB 50 7 23 80 
 
1-Tempo de abertura do disjuntor (ms) 
2-Tempo de sensibilidade e atuação do sinal do relé (ms) 
3-Margem de segurança (ms) 
4-Tempo total de operação (ms) 
Obs: O tempo da proteção refere-se ao tempo de atuação do sistema de 
proteção contra arco-elétrico da VAMP [2.6]. 
 
 
 7 
4.2 - TIPO DE ATERRAMENTO DOS SISTEMAS 
 
O sistema elétrico de 69 kV possui o neutro dos transformadores solidamente 
aterrados. 
O sistema de 13,8 kV é aterrado através de resistores de 400A, instalados nos 
neutros dos transformadores. Desse modo, a corrente de curto-circuito fase-
terra será limitada em 400A resistivos, exceto para as condições operacionais 
onde os geradores ou os transformadores operam em paralelo. Para este 
ultimo caso, o curto circuito fase-terra será limitado pelas somas dos 
respectivos resistores. O neutro dos geradores é aterrado por resistores de 
10A. 
O sistema de 4160 V possui o curto-circuito fase-terra limitado em 400A por 
resistores, enquanto que o sistema de 480 V é aterrado com resistores de 2 a 
5A. 
Portanto todos os sistema elétricos da industria, possuem neutro aterrados 
através de resistência.4.3 - CÁLCULO DA CORRENTE DE CURTO-CIRCUITO LIMITADA POR 
ARCO ELÉTRICO 
 
Conforme descrito na norma IEEE 1584a [2.2], o arco elétrico apresenta uma 
impedância que tende a limitar a corrente de curto-circuito passante. Em 
sistemas de média tensão, essa limitação não é tão representativa quanto em 
sistemas de baixa tensão. De qualquer maneira, é essencial que a corrente de 
curto circuito limitada por arco elétrico seja calculada, a fim de se verificar se a 
proteção está sensível a essa corrente e em qual tempo ela irá operar. 
O cálculo da corrente limitada por arco elétrico (Ia) depende da corrente de 
curto circuito trifásica subtransitória simétrica calculada no estudo de curto-
circuito, do tipo de instalação, da tensão e da distância entre os condutores 
(gap). Conforme se pode verificar abaixo, existem duas equações distintas para 
o cálculo dessa corrente, dependendo da tensão de operação dos 
equipamentos: 
 
Tensão abaixo de 1kV: 
log(Ia) K 0,662 0,5588V 0,00304G )log (Ibf) 0,0966V 0,000526G 
Tensão maior ou igual a 1kV: 
log(Ia) 0,00402 0,983log(Ibf ) 
 
Onde: 
Ia = corrente de curto-circuito limitada por arco elétrico (kA); 
K = - 0,097 (configuração em "caixa" para todos os painéis considerados neste 
estudo) ou K= -0,153 para configurações "abertas"; 
 8 
Ibf = corrente de curto-circuito subtransitória simétrica eficaz (kA); 
V = tensão do sistema (kV); 
G = gap entre condutores, barramentos (mm). 
 
4.4 - CÁLCULO DA ENERGIA INCIDENTE NORMALIZADA 
 
Uma vez calculada a corrente de curto circuito limitada por arco elétrico, deve-
se calcular a energia incidente gerada por essa corrente. De acordo com a 
norma IEEE 1584a [2.2], a energia incidente deve ser calculada, 
primeiramente, considerando uma distância média de trabalho (distância entre 
o profissional e o painel) de 610 mm e um tempo de atuação da proteção (relé 
+ disjuntor) de 200ms, através da seguinte equação: 
 
log(En) K1K2 1,081log(Ia) 0,0011G 
 
Onde: 
En = energia incidente (cal/cm2) normalizada para uma distância de trabalho 
de 610 mm e tempo de proteção de 200ms; 
K1 = -0,792 para configurações abertas (equipamentos ao ar livre) ou -0,555 
para configurações com equipamento dentro de cubículo ou painel; 
K2 = 0 para sistemas não aterrados ou aterrados através de alta resistência, ou 
-0,113 para sistemas aterrados; 
Ia = corrente de curto-circuito limitada por arco elétrico calculada na etapa 
anterior (kA); 
G = gap entre condutores (mm). 
 
4.5 CÁLCULO DA ENERGIA INCIDENTE 
 
Definida a energia incidente normalizada, é preciso calcular a energia incidente 
(E) para o caso específico estudado. Para tanto, é necessário se conhecer o 
tempo de atuação da proteção bem como a distância de trabalho (D), que é a 
soma da distância entre o operador e a frente do equipamento e da frente do 
equipamento até a fonte do arco elétrico. A tabela 4 da norma IEEE 1584a 
define alguns valores de distâncias de trabalho típicos, conforme tabela a 
seguir: 
 
 
 
 
 
 9 
Tabela 4– IEEE Std. 1584a - Classes dos equipamentos, fator x de distancia e 
distâncias típicas de trabalho (D) 
Tensão (kV) Equipamento Gap típico(mm) Fator x D (mm) 
0,208-1 Ao ar 10-40 2,0 
 Conj manobra 32 1,473 610 
 CCM e Painéis 25 1,641 455 
 Cabos 13 2,0 455 
>1 e < 5 Ao ar 102 2,0 
 Conj Manobra 13-102 0,973 910 
 Cabos 13 2,0 455 
>5 a 15 Ao ar 13-153 2,0 
 Conj Manobra 153 0,973 910 
 Cabos 13 2.0 455 
 
 
As distâncias de trabalho típicas são sugeridas baseando-se nas distâncias de 
segurança para arco elétrico bem como choques elétricos. Todavia, deve-se 
avaliar individualmente cada caso estudado, a fim de determinar a distância de 
trabalho aplicável. 
A energia incidente depende do tempo de duração do arco (tempo total de 
abertura da proteção) e da distância entre a fonte do arco e o operador (D), 
conforme se pode verificar na expressão abaixo: 
 













X
X
D
t
EnCfE
610
2,0
 
Onde: 
 
E = energia incidente (cal/cm2) para distância de trabalho e tempo de atuação 
da 
proteção especificados; 
Cf = fator de cálculo igual a 1 para tensões acima de 1,0kV, ou 1,5 para 
tensões abaixo de 1kV; 
En = energia incidente normalizada (cal/cm2) calculada anteriormente; 
D = distância (mm) do ponto de arco elétrico até o operador, conforme tabela 4; 
x = Expoente de distância da tabela 4 da IEEE 1584ª: 
 10 
t = duração do arco (s), soma dos tempos de atuação da proteção e de 
operação do disjuntor. 
Após o cálculo da energia incidente, é possível avaliar a necessidade de 
medidas para a segurança dos operadores dos equipamentos elétricos, bem 
como determinar qual será a categoria da vestimenta de proteção necessária 
para suportar a energia calculada. 
 
 
4.6 CÁLCULO DA DISTÂNCIA DE SEGURANÇA 
 
Além de calcular a energia incidente causada pelo arco elétrico, é importante 
conhecer a distância em que não se faz necessária a utilização da vestimenta 
de proteção. A norma IEEE-1584a define a distância de segurança (DB) como 
a distância entre a fonte do arco elétrico e o local em que a energia incidente é 
igual a 5J/cm² ou 1,2cal/cm² (limite da pele humana para queimaduras de 
segundo grau). 
A distância de segurança "DB" é calculada através da seguinte equação: 
 
X
B
X
B
E
t
EnCfD
1
610
2,0



















 
Onde: 
 
DB = distância segura de aproximação sem o uso de EPI, na qual EB = 1,2 
cal/cm2. 
Cf = fator de cálculo, usado na etapa anterior; 
En = energia incidente normalizada (cal/cm²), obtida na etapa anterior; 
EB = energia incidente (cal/cm²) na distância limite, definida como 1,2cal/cm² 
para a pele desprotegida; 
t = duração total do arco (s), usado na etapa anterior; 
x = expoente de distância, usado na etapa anterior. 
Obs: Uma caloria equivale a aproximadamente 4,18 Joules. 
 
5- CÁLCULOS 
 
5.1-Painel PN-1, 13,8 kV, Manobra 
Icc= 23,26 kA; gap=120 mm(tab 2); distância de trabalho: 910 mm (tab 4); fator 
x:1,473(tab 4); tempo de proteção:0,08 s (tab 3); Sistema aterrado por alra 
resistência. 
 
 11 
- Cálculo da Corrente de Curto-Circuito Limitada pelo Arco Elétrico 
Tensão maior ou igual a 1kV: log(Ia) 0,00402 0,983log(Ibf ) 
Log(Ia)=0,00402+0,983log23,26= 1,3474 
 
Ia=101,3474 = 22,25 kA 
-Cálculo da Energia Incidente Normalizada 
log(En) K1K2 1,081log(Ia) 0,0011G 
log(En)=-0,555+0+1,081lg22,25+0,0011x120=1,0335 
 
En= 101,0335= 10,8 cal/cm2 
-Cálculo de Energia Incidente 













X
X
D
t
EnCfE
610
2,0
 
2
973,0
/93,2
910
610
2,0
08,0
8,100,1 cmcalxxE 






 
-Cálculo da Distância de Segurança para que E=1,2 cal/cm2 
A distância mínima de segurança sem utilização de vestimenta é igual a: 
2216610
2,0
08,0
8,10 973,0
973,0
 xxDB
 
mmmDB 74,2274422162216
02775,1973,0
1

 
 
5.2-Painel PN-17-A, 0,48 kV, Manobra 
Icc=33,4 kA; gap=32 mm(tab 2); distância de trabalho: 610 mm (tab 4); fator 
x:1,473(tab 4); tempo de proteção:0,08 s (tab 3);sistema aterrado por alta resistência. 
 
- Cálculo da Corrente de Curto-Circuito Limitada pelo Arco Elétrico 
Tensão abaixo de 1kV: 
log(Ia) K 0,662 0,5588V 0,00304G )log (Ibf) 0,0966V 0,000526G 
log Ia = -0,153 + (0,662+ 0,5588x0,48-0,00304x32)log(33,4) +0,0966x0,48 + 
0,000526x32 
 
log(Ia) = -0,09+0,833log33,4=1,18 Ia=15,13 kA 
-Cálculo da Energia Incidente Normalizada 
log(En) K1K2 1,081log(Ia) 0,0011G 
log(En)=-0,555+0+1,081lg15,13+0,0011x32=0,7556En= 100,7556= 5,7 cal/cm2 
 
 
 12 
-Cálculo de Energia Incidente 













X
X
D
t
EnCfE
610
2,0
 
2
473,1
/28,2
610
610
2,0
08,0
7,50,1 cmcalxxE 






 
-Cálculo da Distância de Segurança para que E=1,2 cal/cm2 
A distância mínima de segurança sem utilização de vestimenta é igual a: 
28888610
2,0
08,0
7,5 473,1
473,1
 xxDB
 
mmmDB 08,110792888828888
68,0473,1
1

 
 
 
6 - CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES 
 
6.1 - CONCLUSÃO GERAL 
 
Baseando-se nos resultados apresentados no item 6, verifica-se que os níveis 
de energia incidente calculados para os painéis da industria não ultrapassam o 
valor máximo permitido de 33,47 J/cm² ou 8 cal/cm², definido como requisito de 
projeto. 
Desse modo, conclui-se que os painéis do sistema da Indústria apresentam 
energia incidente dentro do limite estipulado na norma de segurança, 
considerando-se a instalação de dispositivos sensores de arco elétrico. Esta 
utilização de relé monitor de arco elétrico nos painéis de média e baixa tensão 
é obrigatória, de acordo com o critério de projeto elétrico de engenharia. 
Os trabalhos em circuitos energizados nos painéis das subestações da 
Indústria estão condicionados ao uso de vestimentas de proteção térmica 
contra arcos elétricos, e devem garantir a segurança de acordo com os 
resultados das energias incidentes calculadas neste estudo. 
Caso seja necessário este estudo deve ser revisado quando da aprovação 
estudo de coordenação e seletividade da proteção. 
 
6.2 - OBSERVAÇÕES E RECOMENDAÇÕES 
 
•A energia incidente é diretamente proporcional ao nível de curto-circuito da 
instalação e ao tempo de duração do arco, ou seja, ao tempo de operação dos 
dispositivos de proteção. Caso sejam instalados equipamentos de proteção 
diferentes dos modelos definidos no estudo de seletividade, ou os ajustes dos 
 13 
dispositivos considerados neste estudo sejam alterados, deverão ser 
reavaliados os valores calculados neste estudo. 
•Deverão se identificados os painéis com possibilidade de arco elétrico através 
de etiquetas visíveis com informações sobre a tensão nominal, o nível de 
energia incidente e a distância segura de aproximação: 
 
 
 
 
•Além da etiqueta de sinalização do painel, quando possível, deverá ser 
sinalizada no piso, através da pintura de uma faixa na cor amarela, a área de 
proteção contra arco elétrico. 
•Apenas para fins de esclarecimento, é importante ressaltar a diferença entre 
as zonas de risco e controle estabelecidas na NR-10 e a distância de 
segurança (DB) calculada no presente documento. 
 
Na NR-10 encontram-se estabelecidas as zonas de risco, de controle e livre, ao 
redor de um dado ponto energizado. A determinação do raio dessas zonas é 
baseada, exclusivamente, no grau de capacitação técnica do profissional que 
irá trabalhar junto aos circuitos energizados (vide figura abaixo). 
 14 
 
 
Legenda: 
•ZL = Zona livre 
•ZCP = Zona controlada, restrita a trabalhadores autorizados. 
•ZR = Zona de risco, restrita a trabalhadores autorizados e com a adoção de 
técnicas, instrumentos e equipamentos apropriados ao trabalho. 
•PE = Ponto da instalação energizado. 
Já na norma IEEE-1584a, a distância de segurança (DB) calculada representa 
a distância entre o profissional e o ponto energizado, onde a energia incidente 
é igual ou menor que 1,2 cal/cm² (5J/cm²)e, portanto, não há necessidade de 
uso de vestimentas de proteção contra arcos elétricos. 
Dessa forma, a zona livre definida na NR-10 não tem qualquer relação com o 
risco provocado pela ocorrência de arcos elétricos e, portanto, não exime ao 
trabalhador a necessidade de uso de EPI´s contra arcos elétricos, a menos que 
o limite da zona de risco seja superior à distância de segurança (DB).