Arco eléctrico y falla a tierra, la importancia de usar AFCI y GFCI

Los accidentes causados por instalaciones eléctricas inadecuadas no cesan. La clave es saber la adecuada colocación de los conductores eléctricos. Por ello, es importante diferenciar estos componentes y aclarar su utilización específica para el beneficio de los usuarios.

El 35.1 por ciento de los hogares en México poseen una instalación eléctrica inadecuada, por lo que el riesgo de incendio en éstos es mayor.

Por  Eli Puszkar y Jorge Gómez.

De acuerdo con estadísticas de la NFPA (National Fire Protection Association), en 2012, en los Estados Unidos, se reportaron a los servicios de bomberos 44 mil 800 incendios estructurales en casas habitación. Éstos resultaron en, aproximadamente, 472 muertes, 1 mil 500 heridos y 1 mil 600 millones de dólares en pérdidas por daños en la propiedad. De estos incendios, aproximadamente el 57 por ciento fue ocasionado por fallas o daño en el cableado eléctrico o en el equipo relacionado.

Si bien en México no existe una base de datos centralizada que permita analizar la incidencia y diferentes causas de incendios, sabemos que el problema es serio. En 2009,  la Cruz Roja atendió 2 mil 106 incidentes donde el fuego se registró como agente de trauma. De acuerdo con los expertos, una parte importante de éstos se debe a problemas con instalaciones eléctricas. Además, se suman otros 1 mil 501 casos donde la electricidad se consideró como agente de trauma, factor que fortalece el argumento para considerar la seguridad eléctrica como una prioridad para la sociedad.

Entendiendo el fenómeno de arco eléctrico
Éste se caracteriza por una descarga luminosa que ocurre cuando una corriente eléctrica fluye a través de un medio o material no conductivo en el espacio entre dos electrodos.

Aunque el arco eléctrico en sí mismo tiene varias aplicaciones (por ejemplo, como fuente de iluminación en lámparas de descarga o generador de calor en la soldadura de metales), cuando ocurre de forma imprevista, puede representar un riesgo importante para los consumidores y usuarios de las instalaciones eléctricas.

Cuando la energía que se transfiere en un arco eléctrico entra en contacto con un ser vivo puede ocasionar un choque eléctrico que resultará en quemaduras, fallas en el sistema circulatorio e incluso la  muerte.

Por otro lado, cuando se produce un arco sostenido en una instalación eléctrica existe el riesgo de que la temperatura elevada en la falla pueda causar la ignición de materiales combustibles que se encuentran en el área. Si un circuito no cuenta con la protección adecuada, el arco eléctrico podría continuar hasta ocasionar un incendio en la estructura.

Por esta razón, la NOM-001-SEDE-2012 en México y otros códigos eléctricos internacionales requieren que los conductores eléctricos se instalen dentro de canalizaciones resistentes al fuego, así como el uso de mecanismos de protección, como los interruptores termomagnéticos, Interruptor de Circuito de Falla de Arco (AFCI) y, para evitar el riesgo de choque eléctrico, los Interruptores de Circuito de Falla a Tierra (GFCI).

Los trabajadores y usuarios de instalaciones industriales o de mayor capacidad están expuestos a otro riesgo que se conoce como explosión por arcos. Éstos pueden causar quemaduras severas, pérdida de la visión o audición e incluso hasta la muerte.

Para evitar este peligro, el personal que labora con o cerca de instalaciones eléctricas de alta potencia debe contar con el equipo de protección personal adecuado para protegerse de este fenómeno.

El trabajo de investigación de UL 
Como parte de su misión para promover la seguridad del consumidor, UL comenzó un proyecto de investigación en 2009. Éste busca usar datos paramétricos, generados por la observación de un gran número de incidencias (>100 mil) de arcos eléctricos,  con la intensión de construir un modelo estadístico que permita caracterizar el comportamiento y formación de los arcos eléctricos.

En el proceso se logró identificar la distribución logarítmica normal como el modelo probabilístico que se puede utilizar para predecir la corriente de pico y otras variables del arco eléctrico.

Esta información es sumamente importante, ya que permite predecir  la incidencia de arcos eléctricos en el mundo real, como, por ejemplo, en un circuito eléctrico residencial donde se conoce la longitud, calibre y, en ocasiones, el tipo de aislamiento del conductor.

El experimento implica la división del evento de arco eléctrico en unidades pequeñas (por ejemplo, un medio ciclo cuando se analizan de arcos eléctricos de corriente eléctrica alterna en instalaciones residenciales). Para cada una de estas observaciones se registran parámetros numéricos, los cuales son indexados a una variedad de condiciones ambientales; toda esta información se analiza con herramientas estadísticas para entender cómo se comporta el fenómeno de arco eléctrico.

Este método experimental permite, entre otras cosas, documentar la cantidad total de energía liberada por el arco eléctrico como principal indicador de la posibilidad de ignición del material combustible, así como la caracterización de la duración esperada del arco eléctrico, en relación con las condiciones de prueba. De la misma manera, se concluyó que el lapso total del arco depende del tipo de cable que se usa y  la corriente; es decir, mientras más alta es la corriente, menos dura el arco eléctrico (esto se debe en parte a la carbonización acelerada del área donde se genera el arco). Asimismo, los conductores sólidos tienden a generar arcos más duraderos que los cables equivalentes de conductores trenzados.

Este tipo de estudios son importantes para UL, ya que nos permite prevenir siniestros y así evitar la pérdida de vidas y daños materiales relacionados con estos fenómenos.

En el caso del estudio del fenómeno de arco eléctrico, los resultados obtenidos nos permiten cuantificar posibles riesgos relacionados con la transferencia de energía inesperada cuando se generan condiciones propicias, y así diseñar normas y requerimientos para prevenir estos riesgos.

Un ejemplo de estos beneficios fue el establecimiento de nuevos criterios de aceptabilidad para la norma UL 1699B: norma para dispositivos de protección contra falla de arco en equipos de corriente directa usados en aplicaciones fotovoltaicas.

Además de UL, diversas organizaciones emplean estos resultados para redactar códigos de instalación eléctrica y normas de producto que ayudan a proteger al consumidor.

Fallas de arco eléctrico y fallas a tierra
El conocimiento de los mecanismos de falla de arco eléctrico y falla a tierra en los circuitos eléctricos es vital para poder reducir la incidencia de accidentes relacionados con fuego y choque eléctrico en el país.

En el sector residencial, el problema se vuelve más grave, pues las viviendas con inquilinos se construyeron hace varios años y pueden no contar con las medidas de protección adecuadas para evitar los riesgos ocasionados por fallas de arco y fallas a tierra.

De acuerdo con un estudio de la Sociedad Hipotecaria Federal, el 35.1 por ciento de los 26 millones de viviendas en México tenían más de 20 años en 2009. A través de los años, además del deterioro natural de los componentes eléctricos, las instalaciones eléctricas se ven afectadas por el aumento de la carga demandada por nuevos dispositivos y los posibles problemas generados por los trabajos desempeñados por personal sin capacitación adecuada.

El conocimiento de esta problemática y la concientización de la población en México son de vital significancia para minimizar estos riesgos. UL de México, a través de este artículo, remarca el valor crítico de dos dispositivos utilizados como lo son los GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter), Interruptores de Circuito de Falla a Tierra  y los ACFI (Arc Fault Circuit Interrupter) Interruptores de Circuito de Falla de Arco.

Interruptores de Circuito de Falla a Tierra (GFCI)
Los GFCI son dispositivos eléctricos cuya función es interrumpir el circuito eléctrico de la carga cuando una corriente de falla a tierra excede un valor predeterminado que es menor al requerido para operar el dispositivo principal de protección de sobrecorriente del circuito.  Los GFCI están diseñados sólo para ser utilizados en circuitos donde uno de los conductores está sólidamente aterrizado.

Los GFCI monitorean el flujo de corriente a través del circuito, y si la corriente que fluye dentro de éste, con respecto a la corriente que sale del mismo (difiere en valores pequeños igual o mayor a 6 mA para GFCI de clase A), el GFCI interrumpe la corriente instantáneamente en el circuito.

Los botones de prueba (test) y reestablecer (reset) de los GFCI sólo deben usarse para checar el funcionamiento correcto de los  GFCI, y no para ser usado como controles de encendido y apagado (on/off) de diferentes cargas.

Normas en México y Estados Unidos relacionadas con los GFCI
En los Estados Unidos, el NEC (National Electric Code), en su artículo 210.8, especifica el uso de los GFCI desde 1968 y además requiere que sean listados bajo la Norma UL 943 -Norma de Seguridad en GFCI. En México, la NOM -001- SEDE -2012, en su artículo 210.8, también especifica su uso en unidades de vivienda y edificios que no sean usados para vivienda en salidas que se encuentren en cuartos de baño, cocheras, exteriores, cocinas, azoteas y demás espacios donde las instalaciones están expuestas a condiciones de humedad o agua.

Interruptores de Circuito por  Falla de Arco (AFCI)
Por su parte, los AFCI son dispositivos eléctricos diseñados para monitorear la forma de onda eléctrica e interrumpirla (abriendo el circuito) apropiadamente tan pronto detecte cambios en la forma de onda patrón que caracteriza un arco peligroso. Esta detección es selectiva e independiente de los arcos ocurridos por la normal operación de interruptores, o cuando una conexión es retirada de un contacto. Un AFCI puede detectar, reconocer y responder a pequeños cambios en la forma de onda patrón.

Los AFCI además reducen el peligro de fuego más allá del riesgo convencional de los fusibles e interruptores automáticos (normalmente conocidos como termomagnéticos o circuitbreakers).

A partir de la edición 2002 de la NEC, la sección 210.2  requiere que todos los circuitos derivados con suministro de >13 V, monofásicos y las salidas de 15-20 A instaladas en habitaciones residenciales sean protegidas por AFCI para evitar la posibilidad de que se formen arcos eléctricos que ocasionen la ignición de materiales combustibles en el área.

Cuando una instalación se hace correctamente, utilizando conductores y componentes adecuados y certificados, es poco probable que se generen arcos eléctricos.

Sin embargo, a lo largo de la vida útil del inmueble, se pueden generar situaciones que contribuyan a la formación de arcos eléctricos y los riesgos que estos conllevan. Algunos ejemplos de éstas situaciones pueden ser:

• Aislamiento eléctrico desgastado o cable dañado por el ataque de roedores y otras plagas
• Cordones de electrodomésticos desgastados o cables de fuentes de poder de equipos que se conectan a la instalación eléctrica
• Perforaciones accidentales con clavos, grapas, brocas o tornillos y los cables eléctricos ubicados dentro de cajas de conexión en las paredes
• Envejecimiento natural y exposición de cables a salidas de calefacción, luz solar y tráfico peatonal

Normas en México y Estados Unidos relacionadas con los AFCI
En los Estados Unidos, el NEC (National Electric Code), en su artículo 210.12, indica el uso de los AFCI y además requiere sean listados bajo la norma UL 1699.

En México, la NOM -001- SEDE -2012, en su artículo 210.12, también requiere su uso en todos los circuitos derivados de 120 volts, de 15 y 20 A, que alimenten salidas monofásicas en habitaciones, comedores, salas, alcobas y demás espacios.

Es importante hacer hincapié en el hecho de que los GFCI se han utilizado por más de 40 años en diversos países y probaron que son de invaluable utilidad en la protección personal contra el riesgo de choque eléctrico.

Durante estos años, diferentes tipos de dispositivos de protección se han añadido a los requerimientos para instalaciones eléctricas para evitar el riesgo de corrientes de fuga. En el caso de falla de arco, los AFCI otorgan un nivel adicional de protección y son necesarios incluso cuando la instalación cuente con interruptores termomagnéticos. La utilización de estos dispositivos tiene carácter de  obligatoriedad donde se especifica por los códigos eléctricos aplicables (por ejemplo, Estados Unidos y Canadá, y más recientemente México).

Asimismo, otros dispositivos se integran directamente en los aparatos eléctricos que se conectan a la instalación eléctrica y son requeridos por las normas específicas de esos productos (muchas de ellas Normas Oficiales Mexicanas, lo que las hace obligatorias).

El conocimiento de los fenómenos de falla por arco y falla a tierra es vital para los consumidores, ya que, incluso cuando se adquieren productos certificados y se utiliza mano de obra calificada para su instalación, existen múltiples situaciones donde agentes externos pueden dañar los componentes de las instalaciones, y así generar un riesgo para los usuarios y sus pertenencias. El uso de AFCI y GFCI puede salvar vidas, evitar heridas y proteger el patrimonio de las familias mexicanas.

El desarrollo de nuevas normas y códigos en el país eleva el nivel de protección de los consumidores, riesgos y demás pérdidas relacionadas con estos tipos de fallas eléctricas.
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Eli Puszkar
Director de Desarrollo de Negocios de la Unidad Estratégica de Cables y Alambres de UL a nivel global.  Ha trabajado para la División Seguridad de Producto por más de ocho años, acumulando una amplia experiencia en las áreas de sistemas de iluminación, enseres domésticos,  sistemas de ventilación, calefacción y aire acondicionado. A lo largo de su carrera, se ha desempeñado en las áreas de operaciones, desarrollo de negocios,  planeación estratégica y gerencia General.

Jorge Gómez
Ingeniero Industrial Electricista, del Instituto Tecnológico de Oaxaca. Actualmente se desempeña como Senior Project Engineer en el área de Industrial Control Equipment en UL México.