Cálculo de ARC- FLASH (relámpago de arco)

El alto voltaje es una de las problemáticas que, con mayor frecuencia, ocasiona daños fatales a los trabajadores de la industria eléctrica. Por ello, se han realizado estudios para determinar sus causas y reducir los índices de afectaciones.

Realizar cálculos adecuados, prevenir riesgos y de utilizar protección adecuada, primordial.

Por  Javier Oropeza Ángeles.

En años recientes, se ha gestado un progreso significativo para que el personal de mantenimiento entienda los peligros de las fallas por arco en el mantenimiento del equipo eléctrico.

El NEC y la NOM requieren que el equipo instalado esté aprobado. Además, no son estándares y no indican los peligros potenciales cuando las puertas del equipo están abiertas y cuando un trabajador de mantenimiento provoca accidentalmente una falla de arco.

Un gran número de trabajadores son dañados y llegan a la fatalidad cada año cuando trabajan con equipo energizado. Las pruebas a alto voltaje y la información analítica fueron reunidas para cuantificar los peligros asociados con las fallas de arco. Subsecuentemente, llegaron los documentos de IEEE. Las fallas de arco tienen muchas variables y su predicción no es segura.

Peligros de las fallas de arco
Estas fallas pueden provocar serios problemas de salud. Cuando inician, se libera una cantidad de energía inmensa en muy poco tiempo. Las partes conductivas metálicas pueden fundirse y expulsar vapores calientes. La energía térmica puede provocar quemaduras por la exposición directa o por la ignición de la ropa.

La rápida escalación térmica del aire y la vaporización del metal pueden crear una fuerte explosión y presión tremenda, que ocasionarán la ruptura de los tímpanos, colapso de los pulmones o, en el mejor de los casos, simplemente las fuerzas pueden empujar al trabajador hacia atrás.

Una falla de arco es el paso substancial de las corrientes eléctricas por el aire que vaporiza la terminal, como la de cobre. El arco involucra altas temperaturas de alrededor de 35.000 0F.

En el análisis de peligro, se determinará el límite de protección contra relámpago de arco, la energía liberada cuando ocurre el arco eléctrico y el equipo de protección personal que debe de utilizar la persona o personas cuando trabajen dentro del límite de protección.

Cálculo de la distancia del límite de protección
Las siguientes ecuaciones son utilizadas para calcular la distancia que da como resultado una quemadura de segundo grado en la piel humana.

Dc = (2.65 x MVA BF x t) 0.5 ec 1

Dc= es la distancia de la piel a la fuente del arco eléctrico para producir una quemadura de segundo grado, en pulgadas
MVA BF= son los MVA de falla sólida en el punto de falla correspondiente
t= tiempo de exposición al arco, en segundos

Dc = (53 x MVA x t) 0.5 ec 2

Dc= es la distancia de la piel a la fuente del arco eléctrico para producir una quemadura de segundo grado, en pulgadas
MVA= son los MVA del transformador
Para transformadores menores de 0.75 MVA, multiplique los MVA por 1.25
t= tiempo de exposición al arco, en segundos

Cálculo de la energía incidente para el análisis de peligro por relámpago de arco (arc-flash)
Las ecuaciones siguientes pueden ser utilizadas para predecir la energía incidente que produce un arco eléctrico trifásico en sistemas eléctricos de 600 V o menos, y son las que presentaron R.L.Doughty, Thomas E. Neal y H.L. Floyd, II.

Estas ecuaciones solamente se deben utilizar dentro de los parámetros indicados:

Arco eléctrico abierto al aire libre
La energía incidente estimada para un arco abierto, con una distancia entre electrodos de 1.25 pulgadas es:

EMA= 5.271 DA -1.9593 tA (0.0016 F2 – 0.0076 F + 0.8938)

EMA= máxima energía incidente para un arco abierto, cal /cm²
DA= distancia a los electrodos de arco, en pulgadas (DA igual o mayor a 18”)
F= corriente de falla sólida, en kA (valores de 16 a 50 kA)
tA= duración del arco en segundos

Arco eléctrico en una caja cúbica
La energía incidente estimada para un arco en una caja cúbica de 20 pulgadas por lado y abierta en un lado, para una distancia entre electrodos de 1.25 pulgadas es:

EMB = 1038.7 DB -1.4738 tA (0.0093 F2 – 0.3453 F + 5.9675)

EMB= máxima energía incidente para un arco en una caja cúbica de 20”, cal/cm²
DB= distancia a los electrodos de arco, en pulgadas (DB igual o mayor a 18”)
F= corriente de falla sólida, en kA (valores de 16 a 50 kA)
tA= duración del arco en segundos

Los niveles de energía producidos por los arcos eléctricos trifásicos, con una distancia entre electrodos de 1.25 pulgadas sobre sistemas eléctricos de 600 V, con variación de los valores de las corrientes de falla fueron determinados en el laboratorio.

El efecto de la energía incidente en una caja cúbica de 20 pulgadas se multiplica.Los algoritmos indican que:

• La energía incidente se encuentra en función de la corriente de falla sólida y en función de la distancia existente entre electrodos
• Con la energía incidente constante, las distancias del límite se han desarrollado

De acuerdo con los procesos, la información está basada en datos de prueba producidos en el laboratorio de simulación. El usuario es responsable de determinar la ropa apropiada resistente a la flama y el equipo de protección; su utilización debe de estar basada en las condiciones actuales de uso y de exposición.

Cálculo de la energía incidente para tensiones superiores a 600 V
Para la aplicación de esta ecuación, es necesario conocer los siguientes parámetros:

• La corriente de cortocircuito trifásica sólida máxima en el equipo
• El tiempo de duración de la falla
• La distancia a la fuente del arco eléctrico
• El valor de la tensión de fase a fase

E = (793 x F x V x tA)/ D2 ec. 3

E= energía incidente en cal/cm²
F= corriente de falla de cortocircuito sólido, en kA
V= tensión entre fases, en kV
tA= duración del arco, en segundos
D= distancia a la fuente del arco, en pulgadas

Cálculo del peligro de relámpago de arco (arc-flash) de acuerdo con la Norma IEEE-1584-2004
Esta guía provee las técnicas a los proyectistas y la facilidad a los operadores para determinar la distancia de peligro de la ráfaga de arco y la energía incidente a la que los trabajadores pueden estar expuestos durante su trabajo o cerca del equipo eléctrico.

El origen de esta norma se inicia a mitad de la década de 1990. En esa época, se incrementaron los accidentes eléctricos por relámpago de arco. Se enfocó en las pruebas de los equipos de protección personal (EPP) requeridos para proteger a los trabajadores de los peligros del relámpago de arco.

Las recomendaciones del EPP incluyen las especificaciones y capas de la ropa, así como la protección de la cara y los ojos.

Se presentan los métodos de cálculo de la energía incidente de la ráfaga de arco y los límites en sistemas trifásicos de corriente alterna a los que los trabajadores pueden quedar expuestos.

Se incluye equipo encerrado y líneas abiertas para tensiones de 208 V a 15 KV y para cualquier tensión.

Definiciones
Peligro de relámpago de arco. (arc-flash). Es una condición peligrosa asociada con la liberación de energía causada por un arco eléctrico.
Corriente de falla por arqueo. Es la corriente de falla que fluye a través de un arco eléctrico de plasma, también llamado corriente de falla de arco y corriente de arco.
Corriente de falla disponible. Es la corriente que puede ser provista por el suministrador, los dispositivos de generación eléctrica y los motores grandes, considerando el valor de la impedancia en la trayectoria de la falla.
Corriente de falla sólida. Es un cortocircuito o un contacto eléctrico entre dos conductores de diferentes potenciales, en el que la impedancia o resistencia entre conductores es esencialmente cero.
Peligro eléctrico. Es una condición en la que un contacto no intencional o inadvertido, o falla de un equipo, puede dar como resultado una descarga, quemadura por relámpago de arco, quemadura térmica o una explosión.
Descarga eléctrica. Estimulación física que ocurre cuando la corriente eléctrica pasa a través del cuerpo humano.
Energizado. Conectado eléctricamente o que tiene una fuente de tensión.
Expuesto (partes vivas). Capaz de estar inadvertidamente a tocarse o acercarse a una distancia de seguridad por una persona.
Corriente de falla. Una corriente que fluye de un conductor a tierra o a otro conductor, debido a una conexión anormal (incluyendo un arco) entre ambos.
Análisis de peligro de relámpago de arco. Método para determinar el riesgo de lesiones en el personal, como resultado de la exposición a la energía incidente de un relámpago de arco eléctrico.
Límite de protección de relámpago de arco. Límite de acercamiento en el que la distancia a las partes vivas no aisladas o expuestas la persona puede recibir una quemadura de segundo grado.
Energía incidente. Es la cantidad de energía imprimida sobre una superficie, a una cierta distancia de la fuente, que se genera durante un evento de arco eléctrico (la energía incidente es medida en Joules/cm²).
Peligro de descarga. Es una condición peligrosa asociada con la posible liberación de energía, causada por el contacto o acercamiento a partes vivas.
Distancia de trabajo. Es la separación entre la cabeza del cuerpo de un trabajador situcado en el lugar para realizar la tarea asignada y el punto de un arco en potencia.

El análisis del peligro de relámpago de arco deberá estar asociado con, o como una continuación de, el cálculo de las corrientes de cortocircuito y por el estudio de coordinación de protecciones.

Esta guía está basada en pruebas y análisis del peligro presentado por la energía incidente.

Los efectos peligrosos son proyectiles, salpicaduras de metal fundible, impulsos de presión y arco tóxico por productos no considerados en estos métodos.

Las corrientes de falla deben determinarse en el punto de cada falla potencial.

Nota: esta guía no implica que los trabajadores lleven a cabo un trabajo con el equipo energizado expuesto o partes del circuito

Cuando se use, el EPP es la última línea de defensa para el peligro de ráfaga de arco.

En muchos casos, el EPP ha salvado vidas o prevenido lesiones. Los cálculos de esta guía nos llevan a la selección del nivel del EPP, que es un balance entre la energía incidente calculada y la actividad por efectuar.

• El deseo de proveer la suficiente protección para prevenir una quemadura de segundo grado.
• El deseo de evitar mayor protección de la necesaria. Los peligros pueden ser introducidos también por la ropa y el calor, pobre visibilidad y porque el movimiento del cuerpo está limitado.

Un juicio profesional debe utilizarse para la selección oportuna del EPP. El EPP se puede requerir:

• Durante la interrupción de la carga
• Durante la inspección visual cuando se verifica que todos los medios de desconexión estén abiertos
• Durante el bloqueo tarjeta/candado

Un adecuado EPP se requiere durante las pruebas de ausencia de tensión después de que los equipos son desenergizados y cuando el bloqueo tarjeta/candado esté fuera.

Hay que enfatizar que la recomendación para la industria es minimizar las lesiones eléctricas y las fatalidades, asegurándose de que el equipo está desenergizado y se encuentra dentro de una condición de trabajo confiable.

Cuando se crea una condición de trabajo eléctricamente segura, los trabajadores están sujetos a peligros potenciales; se requiere el EPP para proteger contra quemaduras por relámpago de arco.

Las consideraciones financieras no son una adecuada razón para trabajar sobre o cerca de circuitos energizados.

Nota: esta protección no tiene la intención de prevenir todos los daños pero mitiga los impactos de la ráfaga de arco, cuando ocurra

Para un acceso adecuado, se debe especificar el límite de protección de relámpago de arco, la distancia de trabajo y la energía incidente. Asimismo, los valores calculados deben estar colocados sobre las tapas o puertas del equipo eléctrico, cuando el relámpago de arco exista en el lugar de trabajo, o debe estar disponible a los trabajadores.

La seguridad por medidas de diseño debe considerarse durante el diseño de una instalación eléctrica para mejorar la seguridad del personal. Por ejemplo, un interruptor resistente al arco eléctrico instalado puede proveer seguridad para el personal de operación, cuando las puertas están aseguradas. También el control remoto de equipos es un ejemplo de mejora para la seguridad por diseño.

Los medios de desconexión que estén accesibles para separar el equipo a trabajar deben aislarse y desenergizarse. La ingeniería de diseño puede especificar un apropiado diseño del sistema, equipo, protección, para minimizar la magnitud y duración de la corriente de falla.

Si se cambian los valores de disparo de las protecciones se puede reducir la corriente de falla. Es posible considerarlo como una alternativa para las prácticas de trabajo que provee un incremento en las distancias de trabajo.

La norma IEEE-1584-2002 fue desarrollada para ayudar a proteger a las personas contra los peligros del relámpago de arco. La predicción de la corriente y la energía incidente son utilizadas para la selección adecuada de los dispositivos de protección y del EPP, así como para definir las distancias de trabajo seguras.

Pasos para el cálculo

1. Recolectar los datos del sistema y de la instalación:

• Diagramas unifilares actualizados
• Curvas tiempo-corriente
• Estudio de cortocircuito
• Estudio de coordinación de protecciones

Revisar los diagramas unifilares y la ubicación del equipo con las personas que están familiarizadas con el lugar. Los diagramas unifilares deben estar actualizados antes de empezar el estudio de ráfaga de arco. Los diagramas deben mostrar:

• Transformadores
• Líneas de transmisión
• Circuitos de distribución
• Puesta a tierra del sistema eléctrico
• Reactores limitadores de corriente
• Otros dispositivos limitadores de corriente
• Capacitores
• Medios de desconexión
• Dispositivos de protección contra sobrecorriente
• Centro de control de motores
• Tableros eléctricos (incluyendo dispositivos de protección)
• Interruptores con fusibles (incluyendo tamaño y tipo de fusibles)
• Circuitos alimentadores y derivados
• Motores
• Transformadores alimentando instrumentos de fuerza y dispositivos de protección
• Valores de falla en MVA y el X/R del suministrador
• Datos de relación de transformación; valores de los taps; ampacidad, kilowatts o kilovoltampers; valor de corriente de interrupción, impedancia, reactancia transitoria y subtransitoria, etc.
• Conductores (longitud, tamaño nominal, tipo de material, diámetro de canalización, soporte para cables tipo charola)
• Equipo de utilización: C.P.,kW, número de fases, corriente a plena carga

2. Determinar la operación del sistema

• Una o más acometidas
• Interfase con el bus secundario de las subestaciones con el interruptor de enlace abierto o cerrado
• Subestación unitaria con uno o dos alimentadores primarios
• Subestación unitaria con dos transformadores con los secundarios abiertos o cerrados
• C.C.M. con uno o dos alimentadores, uno o ambos energizados
• Generadores en paralelo con el suministro o en stand-by

3. Determinar las corrientes de falla sólidas

• Incluir todos los conductores

4. Determinar las corrientes de falla de arco
Estas corrientes dependen de la corriente de falla sólida. Las corrientes de falla de arco pueden ser menores que la de falla sólida, debido a la impedancia del arco, especialmente para aplicaciones menores a 1.000 volts. Para media tensión, la corriente de arco puede ser un valor más bajo que la corriente de falla sólida.

5. Buscar las características de los dispositivos de protección y la duración de los arcos

Tipo y rango del interruptor	Tiempo de apertura a 60 Hz (ciclos)	Tiempo de apertura (s)
Baja tensión (caja moldeada) < 1000 volts (disparo integral)	1.5	0.025
Baja tensión (caja aislada) < 1000 volts interruptor de potencia (disparo integral o por relevador)	3	0.050
Media tensión (1 a 35 kV)	5	0.080
Alta tensión (>35 kV)	8	0.130

 

6. Documentar las tensiones del sistema y clases de equipo

7. Seleccionar las distancias de trabajo

Clase de equipo	Distancia típica de trabajo (mm)
Interruptor de 15 kV	910
Interruptor de 5 kV	910
Interruptor en baja tensión	610
C.C.M.	455
CABLE	455
Otros	Determinar en campo

La protección contra relámpago de arco está basada en la energía incidente sobre la cara y el cuerpo a la distancia de trabajo, no la energía incidente sobre las manos y brazos.

El grado de daño en una quemadura depende del porcentaje de la piel que es quemada. La cabeza y el cuerpo son las de mayor porcentaje de superficie de la piel.
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Javier Oropeza Ángeles

Es Ingeniero Electricista por la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del IPN. Actualmente, es perito auxiliar de la Administración de Justicia del Fuero Común del D.F. También, es miembro activo del Colegio de Ingenieros Mecánicos y Electricistas.