Alta voltagem - High voltage

Altas tensões podem levar à interrupção elétrica , resultando em uma descarga elétrica, conforme ilustrado pelos filamentos de plasma fluindo de uma bobina de Tesla .

Eletricidade de alta tensão refere-se ao potencial elétrico grande o suficiente para causar ferimentos ou danos. Em certas indústrias, a alta tensão se refere à tensão acima de um certo limite. Equipamentos e condutores que carregam alta tensão garantem procedimentos e requisitos de segurança especiais .

A alta tensão é usada na distribuição de energia elétrica , em tubos de raios catódicos , para gerar raios X e feixes de partículas , para produzir arcos elétricos , para ignição, em tubos fotomultiplicadores e em tubos de vácuo amplificadores de alta potência , bem como outros industriais, aplicações militares e científicas.

Definição

Faixa de tensão IEC Tensão AC RMS
( V )
Tensão DC (V) Definindo risco
Alta voltagem > 1 000 > 1 500 Arco elétrico
Baixa voltagem 50 a 1 000 120 a 1 500 Choque elétrico
Tensão extra baixa <50 <120 Baixo risco

A definição numérica de alta tensão depende do contexto. Dois fatores considerados na classificação de uma tensão como alta tensão são a possibilidade de causar uma faísca no ar e o perigo de choque elétrico por contato ou proximidade.

A Comissão Eletrotécnica Internacional e suas contrapartes nacionais ( IET , IEEE , VDE , etc.) definem alta tensão como acima de 1000  V para corrente alternada e pelo menos 1500 V para corrente contínua .

Nos Estados Unidos, o American National Standards Institute (ANSI) estabelece classificações de tensão nominal para sistemas de energia elétrica de 60 Hz acima de 100 V. Especificamente, ANSI C84.1-2020 define alta tensão como 115 kV a 230 kV, tensão extra-alta como 345 kV a 765 kV, e ultra-alta tensão como 1.100 kV. A norma britânica BS 7671 : 2008 define alta tensão como qualquer diferença de tensão entre condutores superior a 1000 VCA ou 1500 V CC sem ondulação ou qualquer diferença de tensão entre um condutor e a terra que seja superior a 600 VCA ou 900 V sem ondulação DC.

Os eletricistas só podem ser licenciados para classes de tensão específicas em algumas jurisdições. Por exemplo, uma licença elétrica para um sub-comércio especializado, como instalação de sistemas HVAC , sistemas de alarme de incêndio , sistemas de televisão de circuito fechado pode ser autorizada a instalar sistemas energizados até apenas 30 volts entre condutores, e pode não ter permissão para trabalhar em circuitos de tensão de rede. O público em geral pode considerar os circuitos elétricos domésticos (100 a 250 VAC), que carregam as tensões mais altas que normalmente encontram, como sendo de alta tensão .

Voltagens acima de aproximadamente 50 volts geralmente podem fazer com que quantidades perigosas de corrente fluam através de um ser humano que toca dois pontos de um circuito, portanto, os padrões de segurança são mais restritivos em torno de tais circuitos.

Na engenharia automotiva , alta tensão é definida como tensão na faixa de 30 a 1000 VAC ou 60 a 1500 VDC.

A definição de extra-alta tensão (EHV) depende novamente do contexto. Na engenharia de transmissão de energia elétrica, o EHV é classificado como tensões na faixa de 345.000–765.000 V. Em sistemas eletrônicos, uma fonte de alimentação que fornece mais de 275.000 volts é chamada de Fonte de alimentação EHV e é frequentemente usada em experimentos em física. A tensão de aceleração para um tubo de raios catódicos de televisão pode ser descrita como tensão extra-alta ou tensão extra-alta (EHT), em comparação com outras fontes de tensão dentro do equipamento. Este tipo de alimentação varia de 5 kV a cerca de 30 kV.

Produção

As faíscas elétricas estáticas comuns vistas em condições de baixa umidade sempre envolvem voltagem bem acima de 700 V. Por exemplo, faíscas em portas de carros no inverno podem envolver voltagens de até 20.000 V.

Os geradores eletrostáticos , como os geradores Van de Graaff e as máquinas Wimshurst, podem produzir tensões próximas a um milhão de volts, mas normalmente produzem correntes baixas. As bobinas de indução operam no efeito flyback, resultando em tensões maiores do que a relação de espiras multiplicada pela tensão de entrada. Eles normalmente produzem correntes mais altas do que as máquinas eletrostáticas, mas cada duplicação da tensão de saída desejada praticamente dobra o peso devido à quantidade de fio necessária no enrolamento secundário. Portanto, escalá-los para tensões mais altas adicionando mais espiras de fio pode se tornar impraticável. O multiplicador Cockcroft-Walton pode ser usado para multiplicar a tensão produzida por uma bobina de indução. Ele gera CC usando interruptores de diodo para carregar uma escada de capacitores. As bobinas Tesla utilizam ressonância, são leves e não requerem semicondutores.

As faíscas de maior escala são aquelas produzidas naturalmente por raios . Um raio médio negativo carrega uma corrente de 30 a 50 quiloamperes, transfere uma carga de 5 coulombs e dissipa 500 megajoules de energia (120 kg equivalente a TNT , ou o suficiente para acender uma lâmpada de 100 watts por aproximadamente 2 meses). No entanto, um raio médio positivo (do topo de uma tempestade) pode levar uma corrente de 300 a 500 quiloamperes, transferir uma carga de até 300 coulombs, ter uma diferença de potencial de até 1 gigavolt (um bilhão de volts) e pode dissipar 300 GJ de energia (72 toneladas de TNT, ou energia suficiente para acender uma lâmpada de 100 watts por até 95 anos). Um raio negativo normalmente dura apenas dezenas de microssegundos, mas vários ataques são comuns. Um golpe de raio positivo é normalmente um único evento. No entanto, a corrente de pico maior pode fluir por centenas de milissegundos, tornando-a consideravelmente mais energética do que um raio negativo.

Faíscas no ar

Fotografia de longa exposição de uma bobina de Tesla mostrando as repetidas descargas elétricas

A resistência de ruptura dielétrica do ar seco, em temperatura e pressão padrão (STP), entre eletrodos esféricos é de aproximadamente 33 kV / cm. Este é apenas um guia aproximado, uma vez que a tensão de ruptura real é altamente dependente da forma e do tamanho do eletrodo. Campos elétricos fortes (de altas tensões aplicadas a condutores pequenos ou pontiagudos) freqüentemente produzem descargas corona de cor violeta no ar, bem como faíscas visíveis. Tensões abaixo de 500–700 volts não podem produzir faíscas ou brilhos facilmente visíveis no ar à pressão atmosférica, portanto, por esta regra, essas tensões são "baixas". No entanto, sob condições de baixa pressão atmosférica (como em aeronaves de alta altitude ), ou em um ambiente de gás nobre como argônio ou neon , faíscas aparecem em tensões muito mais baixas. 500 a 700 volts não é um mínimo fixo para produzir quebra de faísca, mas é uma regra prática. Para o ar em STP, a tensão mínima de ignição é de cerca de 327 volts, conforme observado por Friedrich Paschen .

Embora tensões mais baixas não saltem, em geral, uma lacuna que está presente antes da aplicação da voltagem, interromper um fluxo de corrente existente com uma lacuna geralmente produz uma faísca ou arco de baixa voltagem . À medida que os contatos são separados, alguns pequenos pontos de contato tornam-se os últimos a se separar. A corrente fica restrita a esses pequenos pontos quentes , fazendo com que eles se tornem incandescentes, de modo que emitem elétrons (por emissão termiônica ). Mesmo uma pequena bateria de 9 V pode piscar visivelmente por este mecanismo em uma sala escura. O ar ionizado e o vapor de metal (dos contatos) formam o plasma, que temporariamente preenche a lacuna cada vez maior. Se a fonte de alimentação e a carga permitirem o fluxo de corrente suficiente, um arco autossustentável pode se formar. Uma vez formado, um arco pode ser estendido a um comprimento significativo antes de interromper o circuito. A tentativa de abrir um circuito indutivo freqüentemente forma um arco, uma vez que a indutância fornece um pulso de alta tensão sempre que a corrente é interrompida. Os sistemas CA tornam o arco sustentado um pouco menos provável, uma vez que a corrente retorna a zero duas vezes por ciclo. O arco é extinto toda vez que a corrente passa por um cruzamento zero , e deve reacender durante o próximo meio-ciclo para manter o arco.

Ao contrário de um condutor ôhmico, a resistência de um arco diminui à medida que a corrente aumenta. Isso torna os arcos não intencionais em um aparelho elétrico perigosos, pois mesmo um pequeno arco pode crescer o suficiente para danificar o equipamento e iniciar incêndios se houver corrente suficiente disponível. Arcos produzidos intencionalmente, como os usados ​​em iluminação ou soldagem , requerem algum elemento no circuito para estabilizar as características de corrente / tensão do arco.

Usos

Distribuição

Linhas de energia com sinal de alerta de alta tensão.

As linhas de transmissão e distribuição elétrica de energia elétrica normalmente usam tensões entre dezenas e centenas de quilovolts. As linhas podem ser aéreas ou subterrâneas. A alta tensão é usada na distribuição de energia para reduzir as perdas ôhmicas ao transportar eletricidade a longa distância.

Industrial

É usado na produção de semicondutores para espalhar finas camadas de filmes de metal na superfície do wafer . Ele também é usado para flocagem eletrostática para revestir objetos com pequenas fibras que ficam nas bordas.

Científico

Os centelhadores foram usados ​​historicamente como uma das primeiras formas de transmissão de rádio. Da mesma forma, descargas elétricas na atmosfera de Júpiter são pensados para ser a fonte de poderosas do planeta rádio emissões de freqüência.

Altas tensões têm sido usadas em experimentos e descobertas importantes em química e física de partículas. Arcos elétricos foram usados ​​no isolamento e descoberta do elemento argônio do ar atmosférico. As bobinas de indução alimentavam os primeiros tubos de raios-X. Moseley usou um tubo de raios-X para determinar o número atômico de uma seleção de elementos metálicos pelo espectro emitido quando usado como ânodo. A alta tensão é usada para gerar feixes de elétrons para microscopia . Cockcroft e Walton inventaram o multiplicador de voltagem para transmutar os átomos de lítio do óxido de lítio em hélio, acelerando os átomos de hidrogênio.

Segurança

Símbolo de segurança internacional : "Cuidado, risco de choque elétrico" ( ISO 7010 W012), também conhecido como símbolo de alta tensão

Voltagens superiores a 50 V aplicadas na pele humana seca e intacta podem causar fibrilação cardíaca se produzirem correntes elétricas nos tecidos do corpo que passam pela área do tórax . A voltagem na qual existe o perigo de eletrocussão depende da condutividade elétrica da pele humana seca. O tecido humano vivo pode ser protegido de danos pelas características isolantes da pele seca de até cerca de 50 volts. Se a mesma pele ficar molhada, se houver feridas ou se a voltagem for aplicada aos eletrodos que penetram na pele, mesmo as fontes de voltagem abaixo de 40 V podem ser letais.

O contato acidental com qualquer fonte de alta tensão que forneça energia suficiente pode resultar em ferimentos graves ou morte. Isso pode ocorrer quando o corpo de uma pessoa fornece um caminho para o fluxo da corrente, causando danos aos tecidos e insuficiência cardíaca. Outras lesões podem incluir queimaduras do arco gerado pelo contato acidental. Essas queimaduras podem ser especialmente perigosas se as vias respiratórias da vítima forem afetadas. As lesões também podem ser sofridas como resultado das forças físicas sofridas por pessoas que caem de grandes alturas ou são arremessadas a uma distância considerável.

A exposição de baixa energia à alta voltagem pode ser inofensiva, como a faísca produzida em um clima seco ao tocar a maçaneta da porta após caminhar por um piso acarpetado. A tensão pode estar na faixa de mil volts, mas a corrente média é baixa.

As precauções padrão para evitar lesões incluem trabalhar em condições que evitem o fluxo de energia elétrica pelo corpo, principalmente pela região do coração, como entre os braços ou entre um braço e uma perna. A eletricidade pode fluir entre dois condutores em equipamentos de alta tensão e o corpo pode completar o circuito. Para evitar que isso aconteça, o trabalhador deve usar roupas isolantes, como luvas de borracha, usar ferramentas isoladas e evitar tocar no equipamento com mais de uma mão por vez. Uma corrente elétrica também pode fluir entre o equipamento e o aterramento. Para evitar isso, o trabalhador deve ficar em uma superfície isolada, como tapetes de borracha. O equipamento de segurança é testado regularmente para garantir que ainda esteja protegendo o usuário. Os regulamentos de teste variam de acordo com o país. As empresas de teste podem testar em até 300.000 volts e oferecer serviços de testes de luvas a testes de Plataformas Elevadas de Trabalho (ou EWP).

Distribuição

Subestação de alta tensão em Kaanaa , Pori , Finlândia

O contato ou a aproximação dos condutores de linha apresentam perigo de eletrocussão . O contato com fios aéreos pode resultar em ferimentos ou morte. Escadas de metal, equipamentos agrícolas, mastros de barco, maquinário de construção, antenas aéreas e objetos semelhantes estão freqüentemente envolvidos em contato fatal com fios aéreos. Pessoas não autorizadas subindo em postes de energia ou aparelhos elétricos também são freqüentemente vítimas de eletrocussão. Em tensões de transmissão muito altas, mesmo uma abordagem próxima pode ser perigosa, uma vez que a alta tensão pode formar um arco através de um entreferro significativo.

Cavar em um cabo enterrado também pode ser perigoso para os trabalhadores em um local de escavação. Equipamentos de escavação (ferramentas manuais ou acionados por máquina) que entram em contato com um cabo enterrado podem energizar a tubulação ou o solo na área, resultando na eletrocução de trabalhadores próximos. Uma falha em uma linha de transmissão de alta tensão ou subestação pode resultar em altas correntes fluindo ao longo da superfície da terra, produzindo um aumento do potencial de terra que também apresenta perigo de choque elétrico.

Para linhas de transmissão de alta e extra-alta tensão, pessoal especialmente treinado usa técnicas de " linha viva " para permitir o contato direto com o equipamento energizado. Neste caso, o trabalhador está eletricamente conectado à linha de alta tensão, mas totalmente isolado da terra, de modo que ele está com o mesmo potencial elétrico da linha. Uma vez que o treinamento para tais operações é demorado e ainda representa um perigo para o pessoal, apenas as linhas de transmissão muito importantes estão sujeitas a manutenção durante a operação. Fora dessas situações projetadas apropriadamente, o isolamento da terra não garante que nenhuma corrente flua para a terra - uma vez que o aterramento ou arco para o aterramento podem ocorrer de maneiras inesperadas e as correntes de alta frequência podem queimar até mesmo uma pessoa não aterrada. Tocar em uma antena de transmissão é perigoso por esse motivo, e uma bobina de Tesla de alta frequência pode sustentar uma faísca com apenas um ponto final.

O equipamento de proteção em linhas de transmissão de alta tensão normalmente evita a formação de um arco indesejado ou garante que ele seja extinto em dezenas de milissegundos. Os aparelhos elétricos que interrompem os circuitos de alta tensão são projetados para direcionar com segurança o arco resultante para que ele se dissipe sem danos. Os disjuntores de alta tensão geralmente usam um jato de ar de alta pressão, um gás dielétrico especial (como SF 6 sob pressão) ou imersão em óleo mineral para extinguir o arco quando o circuito de alta tensão é interrompido.

A fiação em equipamentos como máquinas de raio-X e lasers exige cuidado. A seção de alta tensão é mantida fisicamente distante do lado de baixa tensão para reduzir a possibilidade de formação de um arco entre os dois. Para evitar perdas coronais, os condutores são mantidos o mais curtos possível e sem pontas afiadas. Se isolado, o revestimento de plástico deve estar livre de bolhas de ar que resultam em descargas coronais dentro das bolhas.

Geradores eletrostáticos

Uma alta tensão não é necessariamente perigosa se não puder fornecer uma corrente substancial . Apesar das máquinas eletrostáticas, como os geradores Van de Graaff e as máquinas de Wimshurst, produzirem tensões próximas de um milhão de volts, elas causam uma pequena dor. Isso ocorre porque a corrente é baixa, por exemplo, apenas alguns elétrons se movem. Esses dispositivos têm uma quantidade limitada de energia armazenada, de modo que a corrente média produzida é baixa e geralmente por um curto período de tempo, com impulsos atingindo um pico na faixa de 1 A por um nanossegundo.

A descarga pode envolver voltagem extremamente alta em períodos muito curtos, mas para produzir fibrilação cardíaca, um fornecimento de energia elétrica deve produzir uma corrente significativa no músculo cardíaco continuando por muitos milissegundos e deve depositar uma energia total na faixa de pelo menos milijoules ou superior. Corrente relativamente alta em algo mais do que cerca de cinquenta volts pode, portanto, ser clinicamente significativo e potencialmente fatal.

Durante a descarga, essas máquinas aplicam alta tensão ao corpo por apenas um milionésimo de segundo ou menos. Portanto, uma corrente baixa é aplicada por um período muito curto, e o número de elétrons envolvidos é muito pequeno.

Bobinas tesla

Apesar das bobinas de Tesla parecerem superficialmente semelhantes aos geradores Van de Graaff, elas não são máquinas eletrostáticas e podem produzir correntes de radiofrequência significativas continuamente. A corrente fornecida a um corpo humano será relativamente constante enquanto o contato for mantido, ao contrário das máquinas eletrostáticas que geralmente demoram mais para acumular cargas, e a voltagem será muito maior do que a voltagem de degradação da pele humana. Como consequência, a saída de uma bobina de Tesla pode ser perigosa ou até fatal.

Risco de arco elétrico

Arranjo de teste de alta tensão com grande capacitor e transformador de teste

Dependendo da corrente de curto-circuito potencial disponível em um conjunto de manobra , um perigo é apresentado ao pessoal de manutenção e operação devido à possibilidade de um arco elétrico de alta intensidade . A temperatura máxima de um arco pode exceder 10.000 kelvins , e o calor radiante, a expansão do ar quente e a vaporização explosiva de metal e material de isolamento podem causar ferimentos graves a trabalhadores desprotegidos. Essas linhas de manobra e fontes de arco de alta energia estão comumente presentes em subestações de concessionárias de energia elétrica e estações geradoras, plantas industriais e grandes edifícios comerciais. Nos Estados Unidos, a National Fire Protection Association publicou um padrão de diretriz NFPA 70E para avaliar e calcular o risco de arco elétrico e fornece padrões para as roupas de proteção necessárias para trabalhadores elétricos expostos a tais riscos no local de trabalho.

Risco de explosão

Mesmo tensões insuficientes para quebrar o ar podem fornecer energia suficiente para inflamar atmosferas contendo gases ou vapores inflamáveis ​​ou poeira suspensa. Por exemplo, gás hidrogênio , gás natural ou vapor de gasolina / gasolina misturado com ar podem ser inflamados por faíscas produzidas por aparelhos elétricos. Exemplos de instalações industriais com áreas perigosas são refinarias petroquímicas , fábricas de produtos químicos , elevadores de grãos e minas de carvão .

As medidas tomadas para prevenir tais explosões incluem:

  • Segurança intrínseca pelo uso de aparelhos projetados para não acumular energia elétrica suficiente armazenada para desencadear uma explosão
  • Maior segurança, que se aplica a dispositivos que usam medidas como caixas cheias de óleo para evitar faíscas
  • Gabinetes à prova de explosão (à prova de chamas), que são projetados de modo que uma explosão dentro do gabinete não possa escapar e incendiar uma atmosfera explosiva circundante (esta designação não implica que o aparelho possa sobreviver a uma explosão interna ou externa)

Nos últimos anos, os padrões para proteção contra risco de explosão tornaram-se mais uniformes entre as práticas europeias e norte-americanas. O sistema de classificação de "zona" agora é usado de forma modificada no Código Elétrico Nacional dos EUA e no Código Elétrico Canadense . O aparelho de segurança intrínseca agora está aprovado para uso em aplicações na América do Norte.

Gases tóxicos

Descargas elétricas, incluindo descarga parcial e corona , podem produzir pequenas quantidades de gases tóxicos, que em um espaço confinado podem ser um perigo para a saúde. Esses gases incluem oxidantes como o ozônio e vários óxidos de nitrogênio . Eles são facilmente identificados por seu odor ou cor característica e, portanto, o tempo de contato pode ser minimizado. O óxido nítrico é invisível, mas tem um odor adocicado. Oxida em dióxido de nitrogênio em poucos minutos, que tem uma cor amarela ou marrom-avermelhada dependendo da concentração e cheira a gás cloro, como uma piscina. O ozônio é invisível, mas tem um cheiro pungente como o do ar após uma tempestade com raios. É uma espécie de vida curta e metade dela se divide em O
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dentro de um dia em temperaturas e pressão atmosférica normais.

Raio

Os perigos devido a raios incluem obviamente um impacto direto em pessoas ou propriedades. No entanto, os relâmpagos também podem criar gradientes de tensão perigosos na terra, bem como um pulso eletromagnético , e podem carregar objetos de metal estendidos, como cabos telefônicos , cercas e dutos, a tensões perigosas que podem ser carregadas a muitos quilômetros do local do ataque . Embora muitos desses objetos não sejam normalmente condutores, uma voltagem muito alta pode causar a quebra elétrica de tais isoladores, fazendo com que eles atuem como condutores. Esses potenciais transferidos são perigosos para pessoas, gado e aparelhos eletrônicos. Os relâmpagos também iniciam incêndios e explosões, que resultam em fatalidades, ferimentos e danos materiais. Por exemplo, a cada ano na América do Norte, milhares de incêndios florestais são iniciados por quedas de raios.

As medidas para controlar os raios podem mitigar o perigo; estes incluem pára-raios , fios de blindagem e ligação de partes elétricas e estruturais de edifícios para formar um invólucro contínuo.

Veja também

Referências

links externos