Arco Interno – Parte 1

O curto-circuito com arco elétrico (ou voltaico) ocorre quando há uma ruptura dielétrica que provoca a ionização do ar, rompendo sua isolação e criando um “caminho” condutor entre dois pontos, o que gera a descarga elétrica.

Ele é muito presente em nosso dia a dia, pois é utilizado de forma intencional no funcionamento de diversos tipos de lâmpadas, monitores de plasma, projetores, flash de câmera fotográfica e holofotes. Na indústria, é empregado na soldagem e em fornos, e pode acontecer durante manutenções elétricas.

Quando esse fenômeno ocorre em um painel elétrico, pode gerar altas pressões e temperaturas, ocasionando consequências graves, como deterioração e projeção de material fundido em alta velocidade, com elevado nível de energia incidente, com capacidade para provocar queimaduras graves e até fatais nos profissionais expostos.

Eventos de arco elétrico podem ser causados por curto-circuito entre fase e terra ou entre fases, criando uma falha de fase a terra ou de fase a fase. As falhas mais comuns do tipo fase a fase são provocados por: queda de ferramentas, contato acidental da equipe de manutenção, acúmulo de corrosão ou poeira nos condutores e presença de pequenos animais, como ratos ou cobras, que entram em contato com condutores energizados.

Fases de um arco interno em um painel elétrico:

• Compressão (0 a 40ms)

É iniciada com a abertura do arco. A onda de pressão é provocada pela alta temperatura do arco, que causa uma explosiva expansão do ar circunvizinho e dos metais existentes nesse trajeto. O cobre, por exemplo, sofre uma expansão de aproximadamente 67.000 vezes quando muda do estado sólido para vapor. Nesta fase, a pressão aumenta rapidamente até atingir a pressão máxima no interior do compartimento correspondente (normalmente até 0,7 a 1 Bar).

Oscilograma de ensaio painel 31,5kA

O oscilograma acima mostra a pressão no compartimento do disjuntor e no duto de expansão de gases de um painel de 36kV e 34,5kA, aferidos durante um ensaio. Observe que a pressão no compartimento do disjuntor tem um pico superior a 100kPA (1 Bar), ou seja, ~1 kg/cm². Como exemplo, seria o mesmo que uma força de 10.000 kg aplicada a uma porta de 1 m² (10.000 cm²), em um tempo extremamente rápido. Dessa forma, somente a pressão experimentada pelo painel pode provocar extensos danos estruturais.

• Expansão (40 a 70ms)

Ocorre quando a pressão atinge seu pico. Nesta fase, o ar que se encontra comprimido é direcionado para o exterior do painel, por meio de aberturas (flaps) projetadas para a circulação de ar. Observe no gráfico acima que, no momento em que a pressão no compartimento do disjuntor começa a baixar, a pressão nos dutos começa a se elevar.

• Emissão

Acontece enquanto o arco está ocorrendo e, como consequência, aquece o ar remanescente no interior do painel. O ar e as partículas geradas pelo efeito de derretimento e sublimação a altas temperaturas são direcionados para fora do painel, porém com uma pressão menor, até a interrupção da corrente de falta. Respirar o ar a esses níveis de temperatura é fatal.

• Térmica

Esta é a última fase. As temperaturas são extremas e podem atingir 20.000 ºC. Nenhum material conhecido na Terra é capaz de suportar essa temperatura sem que ocorra seu derretimento e/ou vaporização; inclusive pode sublimar metais como o aço e o cobre. A temperatura tende a tornar-se constante no interior do painel, e a energia do arco é aplicada diretamente sobre as partes fixas internas. A fase térmica dura até a interrupção da corrente de falta.

Porque ocorre?

As falhas podem ocorrer devido a uma série de fatores difíceis de serem previstos e controlados. Dentre eles, destacam-se:

• Falha da isolação ou dos contatos por envelhecimento;
• Falha de transformadores de instrumentação (TP e TC);
• Sobretensões no sistema em razão de manobra em disjuntores;
• Sobretensões ocasionadas por descargas atmosféricas;
• Poluição no ambiente de instalação do painel;
• Operação equivocada;
• Manutenção precária;
• Entrada de pequenos animais.

Acompanhe os nossos artigos! Na próxima semana publicaremos a segunda parte.