Segurança em Laboratório de Alta Tensão Todo trabalho realizado

Segurança em Laboratório de Alta Tensão
Todo trabalho realizado em Alta Tensão deve seguir padrões de segurança, que
garantam a integridade e saúde dos profissionais da área. A NR10 trata de Alta Tensão em um
tópico específico e é essa norma que deve ser respeitada nos trabalhos com Alta Tensão.
Abaixo, o tópico da NR10 referente a Alta Tensão:
10.7 - TRABALHOS ENVOLVENDO ALTA TENSÃO (AT)
10.7.1 Os trabalhadores que intervenham em instalações elétricas energizadas com alta
tensão, que exerçam suas atividades dentro dos limites estabelecidos como zonas
controladas e de risco, conforme Anexo I, devem atender ao disposto no item 10.8 desta NR.
Zona Controlada: entorno de parte condutora energizada, não segregada, acessível, de
dimensões estabelecidas de acordo com o nível de tensão, cuja aproximação só é
permitida a profissionais autorizados.
Zona de Risco: entorno de parte condutora energizada, não segregada, acessível inclusive
acidentalmente, de dimensões estabelecidas de acordo com o nível de tensão, cuja
aproximação só é permitida a profissionais autorizados e com a adoção de técnicas e
instrumentos apropriados de trabalho.
10.7.2 Os trabalhadores de que trata o item 10.7.1 devem receber treinamento de
segurança, específico em segurança no Sistema Elétrico de Potência (SEP) e em suas
proximidades, com currículo mínimo, carga horária e demais determinações estabelecidas no
Anexo II desta NR.
Sistema Elétrico de Potência (SEP): conjunto das instalações e equipamentos destinados à
geração, transmissão e distribuição de energia elétrica até a medição, inclusive.
Anexo II
Curso complementar - Segurança no sistema elétrico de potência (SEP) e em suas
proximidades.
É pré-requisito para freqüentar este curso complementar, ter participado,
aproveitamento satisfatório, do curso básico da nova NR-10 de no mínimo 40 horas.
com
Carga horária mínima - 40h
(*) Estes tópicos deverão ser desenvolvidos e dirigidos especificamente para as condições de
trabalho características de cada ramo, padrão de operação, de nível de tensão e de outras
peculiaridades específicas ao tipo ou condição especial de atividade, sendo obedecida a
hierarquia no aperfeiçoamento técnico do trabalhador.
I - Programação Mínima: 1 - Organização do Sistema Elétrico de Potencia - SEP. 2 - Organização
do trabalho:
a) programação e planejamento dos serviços;
b) trabalho em equipe;
c) prontuário e cadastro das instalações;
d) métodos de trabalho; e
e) comunicação.
3. Aspectos comportamentais.
4. Condições impeditivas para serviços.
5. Riscos típicos no SEP e sua prevenção (*):
a) proximidade e contatos com partes energizadas;
b) indução;
c) descargas atmosféricas;
d) estática;
e) campos elétricos e magnéticos;
f) comunicação e identificação; e
g) trabalhos em altura, máquinas e equipamentos especiais.
6. Técnicas de análise de Risco no S E P (*)
7. Procedimentos de trabalho - análise e discussão. (*)
8. Técnicas de trabalho sob tensão: (*)
a) em linha viva;
b) ao potencial;
c) em áreas internas;
d) trabalho a distância;
e) trabalhos noturnos; e
f) ambientes subterrâneos.
9. Equipamentos e ferramentas de trabalho (escolha, uso, conservação, verificação,
ensaios) (*).
10. Sistemas de proteção coletiva (*).
11. Equipamentos de proteção individual (*).
12. Posturas e vestuários de trabalho (*).
13. Segurança com veículos e transporte de pessoas, materiais e equipamentos(*).
14. Sinalização e isolamento de áreas de trabalho(*).
15. Liberação de instalação para serviço e para operação e uso (*).
16. Treinamento em técnicas de remoção, atendimento, transporte de acidentados (*).
17. Acidentes típicos (*) - Análise, discussão, medidas de proteção.
18. Responsabilidades
10.7.3 Os serviços em instalações elétricas energizadas em AT, bem como aqueles
executados no Sistema Elétrico de Potência -SEP, não podem ser realizados
individualmente.
Sempre são executados por equipes de 3, 4 ou 5 profissionais devidamente treinados
10.7.4 Todo trabalho em instalações elétricas energizadas em AT, bem como aquelas que
interajam com o SEP, somente pode ser realizado mediante ordem de serviço específica para
data e local, assinada por superior responsável pela área.
10.7.5 Antes de iniciar trabalhos em circuitos energizados em AT, o superior imediato e a
equipe, responsáveis pela execução do serviço, devem realizar uma avaliação prévia,
estudar e planejar as atividades e ações a serem desenvolvidas de forma a atender os
princípios técnicos básicos e as melhores técnicas de segurança em eletricidade aplicáveis
ao serviço.
"O planejamento não diz respeito a decisões futuras, mas às implicações futuras de decisões
presentes" - PETER DRUCKER
10.7.6 Os serviços em instalações elétricas energizadas em AT somente podem ser
realizados quando houver procedimentos específicos, detalhados e assinados por
profissional autorizado.
10.7.7 A intervenção em instalações elétricas energizadas em AT dentro dos limites
estabelecidos como zona de risco, conforme Anexo I desta NR, somente pode ser
realizada mediante a desativação, também conhecida como bloqueio, dos conjuntos e
dispositivos de religamento automático do circuito, sistema ou equipamento.
Zona de Risco: entorno de parte condutora energizada, não segregada, acessível inclusive
acidentalmente, de dimensões estabelecidas de acordo com o nível de tensão, cuja
aproximação só é permitida a profissionais autorizados e com a adoção de técnicas e
instrumentos apropriados de trabalho.
Tabela de raios de delimitação de zonas de risco, controlada e livre.
Bobina de Tesla
Introdução
Na segunda metade do século XIX, Nikola Tesla, inventor de origem servia, realizou
diversos experimentos no campo da engenharia elétrica. Tesla concebeu e projetou o primeiro
motor de indução, estabeleceu o sistema trifásico em corrente alternada como o mais
apropriado para transmissão de energia, e protagonizou avanços no estudo de altas tensões,
construindo e testando em seu laboratório aparelhos, muitas vezes de tamanho e potências
surpreendentes, para a realização de experimentos em altas tensões.
Provavelmente a mais notória destas invenções seja a bobina de Tesla. A bobina que
leva o nome de seu inventor foi inventada por volta de 1891, quando tesla já havia se instalado
definitivamente em seu laboratório em Nova Iorque, Estados Unidos.
A bobina de Tesla trata-se basicamente de um circuito ressonador acoplado à um
transformador com núcleo de ar, trabalhando com altas freqüências de ressonância. Dentre
suas aplicações, podemos citá-la como um gerador de radio freqüência rudimentar, sendo um
invento precursor do radio de Marconi. Porem Tesla intencionava com a bobina transmitir
eletricidade sem o uso de fios. Atualmente, a bobina de Tesla é um dos mais fascinantes e
didáticos experimentos para demonstração dos fenômenos elétricos, como alta tensão e
quebra da rigidez dielétrica do ar por exemplo, e base das novas tecnologias de transmissão de
eletricidade sem fio “witricity”.
Teoria
Principio de funcionamento
Como citado, a bobina de Tesla é um circuito ressonador. Ela consiste de um
transformador ligado à rede 110/220 V, que tem sua tensão aumentada por um transformador
para cerca de 10kV inicialmente. A tensão no transformador então carrega o capacitor C1, que
tem a sua tensão ajustada de acordo com a calibragem feita em um centelhador de esferas.
Quando se atinge a tensão desejada, a rigidez dielétrica do ar entre as esferas é rompida, a alta
tensão ioniza o ar gerando faiscamento, neste momento o transformador tem seu secundário
curto-circuitado, o capacitor então descarrega a tensão acumulada na bobina B1, o circuito LC
então ressona com freqüência proporcional aos valores da indutância de B1 e capacitância de
C1. A bobina B1 então transfere energia para B2 devido à seu acoplamento magnético, gerando
tensões elevadas devido á ressonância. A bobina B1 é composta por um enrolamento de cobre
com seção transversal grossa com poucas espiras, dependendo do projeto podendo ser até 15
espiras, sendo assim pode suportar as elevadas correntes do circuito primário, a bobina B2 é
composta por um enrolamento de cobre de seção transversal pequena devido a baixa corrente
uma vez que com um numero muito maior de espiras em relação ao primário no secundário, a
tensão obtida em B2 é muito elevada, podendo alcançar ate 1,5MV.
A bobina de Tesla pode ser resumida inicialmente como um transformador elevador,
gerando tensão elevada para carregar o capacitor C1 e provocar uma quebra da rigidez
dielétrica do ar de acordo com a regulação do centelhador, a seguir temos um circuito LC
ressonante, que gera freqüências em torno de 500kHz e duas bobinas fracamente acopladas
por ar formando um segundo transformador, com uma elevada relação de espiras, a tensão no
secundário do transformador é então elevada para milhares de volts.
A freqüência pode ser obtida pela formula:
1
1
2 LC
Devido ao acoplamento com núcleo de ar, a tensão obtida no secundario V s é
relativamente menor do que seria obtida com um acoplamento com núcleo de ferro por
exemplo, tendo-se o valor das indutâncias de B1 e B2 podemos então determinar a tensão de
saída Vs, obtida na bobina secundaria com:
f 
L2
L1
Em que L2 é a indutância da bobina B2 e L1 é a indutância da bobina B1, e
Vs  V p
L2
L1
k é o fator de acoplamento entre as duas bobinas.
k
Equalizadores de campo
Durante o funcionamento da bobina, podemos observar em sua ponta, em uma das
terminações da bobina secundária, um intenso faiscamento proveniente do intenso campo
elétrico formado pela elevada tensão. Esse fenômeno é a ionização das moléculas de gases que
compõem o ar próximo à bobina devido à uma propriedade conhecida como poder das pontas.
O poder das pontas é devido ao fato de uma grande concentração de cargas gerando
um campo elétrico distribuído em uma área muito pequena (ponta). O campo torna-se muito
intenso uma vez que uma grande quantidade de cargas concentradas devido à elevada tensão
tem seu campo elétrico distribuído em uma área muito pequena. Com o aumento da tensão, a
rigidez dielétrica do meio, no caso o ar, é rompida, e há um fluxo de carga devido à ionização do
ar para a terra. Essa ionização é extremamente energética e tem como resultado a formação do
gás ozônio, irritante e nocivo.
As centelhas geradas dependem do nível de tensão gerado e da distribuição do campo
ao longo do espaço ao redor da ponta. Podem atingir desde alguns centímetros ate metros de
comprimento.
Para evitar o centelhamento, superfícies metálicas, normalmente em forma de esferas
ou toróides feitas de alumínio ou bronze, são colocadas sobre a ponta, o fortíssimo campo
gerado então é equalizado, ou seja, distribuído de maneira uniforme ao redor da ponta em um
espaço muito maior, como conseqüência o faiscamento diminui ou é eliminado.
Temos que o calculo da intensidade do campo elétrico em uma carga pontual, como
por exemplo a ponta do fio da bobina secundaria é:
E1 
Q
40 r1
2
Onde Q é a carga acumulada na ponta do fio e r1 o diâmetro do fio. Agora supondo que
coloquemos um equalizador de campo esférico, teremos que o campo fora da casca esférica
será:
E2 
Q
40 r2
2
Sendo assim temos que a distribuição do campo ao longo do espaço será proporcional a
mesma quantidade de carga, porém distribuída ao longo de uma superfície de raio muito
maior. Pela lei de Gauss o fluxo de campo será muito menor, eliminando-se assim o
centelhamento.
E 2 r2

E1 r1
Prática em Laboratório
Em laboratório foi utilizada uma bobina de Tesla com montagem muito semelhante ao
esquema proposto, com um mesmo principo de operação. Inicialmente a bobina foi ligada com
a ponta do enrolamento secundario exposta. Pudemos verificar o centelhamento no faiscador,
e principlamente na ponta da bobina. Como demonstração do forte campo estabelecido pela
bobina, uma lâmpada fluorescente posta próxima à bobina acendeu. Isso se deve ao campo
elétrico resultante ao redor da bobina variar com o quadrado da distância. O comprimento da
lâmpada é suficiente para que a diferença de potencial do campo seja grande o suficiente para
ionizar os gases no interior do tubo e gerar uma corrente elétrica com potencia suficiente para
fazê-la acender.
A figura acima ilustra a distribuição do campo elétrico ao longo do espaço, temos que a
lâmpada foi posta em uma distancia r1 da ponta da bobina, e que a lâmpada possui
comprimento r1-r2, o que gera uma diferença de potencial, V=E1-E2 em seus terminais e
conseqüentemente corrente, fazendo-a acender.
Finalmente vimos como o equalizador de campo elimina o centelhamento na ponta.
Inicialmente um equalizador de bronze de diâmetro relativamente pequeno foi posto,
observou-se uma redução no centelhamento, porem ainda assim a distribuição do campo ao
longo da superfície esférica não foi suficiente para evitar as descargas. Finalmente, com a
instalação de uma esfera de alumínio de diâmetro maior, observou-se a completa eliminação
do efeito.
Conclusão
Com esta prática em laboratório, pudemos verificar que a bobina de tesla é um meio
relativamente simples de gerar altíssimas tensões, com o emprego de poucos e simples
materiais e dispositivos, e com resultados satisfatórios para o estudo de alta tensão.
Pudemos ainda observar em prática, como a instalação de cascas metálicas de formas
variadas pode eliminar o centelhamento ao reduzir consideravelmente o fluxo de campo
elétrico, evitando a drástica ruptura da rigidez dielétrica do ar.
Verificamos ainda como o campo elétrico se distribui ao longo do meio, no caso o ar, de
relativa baixa permissividade elétrica, sendo possível acender uma lâmpada com a diferença de
potencial obtida.