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Prevención del arco eléctrico

Una descarga de arco es uno de los incidentes más graves que puede ocurrir en una instalación eléctrica, ya que la temperatura de este fenómeno alcanza hasta 20 mil grados centígrados, mientras que la energía y metralla liberadas en la explosión puede ocasionar graves daños, lesiones y hasta la muerte

Por Pavlo Tkachenko y Andreas von Lako / Imágenes cortesía de ABB

Aunque poco frecuente, una descarga de arco es un suceso extremadamente grave e impresionante, debido al efecto de luz y calor emitidos por un arco ocasionado por una avería en un equipo eléctrico. En su mayoría, estos incidentes se deben a errores humanos: materiales conductores que se dejan inadvertidamente durante la fabricación, instalación o mantenimiento; fallos de los materiales o de mano de obra; falta de aplicación de medidas que eviten la entrada de ratones, serpientes, etcétera; montajes inadecuados para la aplicación que causan sobrecalentamiento y arcos; malas condiciones de trabajo; maniobras incorrectas; falta de mantenimiento, entre otros.

Un arco produce ruidos ensordecedores de más de 160 dB, cuando el límite establecido por la Agencia de Salud y Seguridad en el Trabajo de Estados Unidos (OSHA, por sus siglas en inglés) es de 115 dB durante un máximo de 15 minutos. Igualmente, el cobre se expande con un factor de 67.000:1 cuando pasa de sólido a vapor (el agua: 40.000:1) y el metal fundido y metralla producidos por el arco pueden alcanzar velocidades de 1600 km/h.

También se presenta una intensa radiación de alta energía de hasta 20 mil grados centígrados que vaporiza los materiales cercanos. Asimismo, esta radiación puede ser absorbida por los objetos metálicos usados por las personas cercanas, que al calentarse provocan quemaduras graves.

Hasta un 65 por ciento de los incidentes de arco ocurren cuando un operario está trabajando en los equipos. Generalmente, los hospitales suelen clasificar las muertes y lesiones graves por quemaduras. Es difícil hacer estadísticas de accidentes por descarga de arco, sin embargo, un solo incidente de descarga es excesivo.

En los eventos que culminan en una descarga de arco, los métodos usuales de protección de cortocircuitos son insuficientes. Esto se debe a que el propio arco se comporta como una resistencia que limita la sobrecorriente. En muchos casos, esto causará un retardo y hará que el disparo de la protección de la carga llegue demasiado tarde, como se observa en el esquema 1.

Esquema 1

Equipos como Arc Guard de ABB reducen drásticamente los daños por formación de arco, desconectando rápidamente la aparamenta tras un fallo, esto con ayuda del interruptor instalado. Para lograrlo se emplean sensores de luz que detectan el inicio de la descarga con el fin de enviar una señal al mecanismo de disparo del interruptor. El tiempo total transcurrido desde la detección a la señal de disparo enviada es menor a un milisegundo y, con un interruptor moderno, la secuencia completa de desconexión puede reducirse a menos de 50 milisegundos.

Se utiliza la comunicación por fibra óptica, no sólo por su velocidad, sino también porque es inmune a las posibles interferencias electromagnéticas (EMI), especialmente en el caso de avería eléctrica. Esto significa también que se pueden actualizar los cables sin temor a interferencias o problemas de seguridad por conductividad eléctrica.

Los sensores se calibran para que presenten igual sensibilidad luminosa y su posición no es crítica, pues los lentes de ojo de pez con los que cuenta cubren un ángulo muy abierto. Para evitar falsos disparos debidos a flashes de cámaras o luz solar, se puede combinar el monitor de arco con un sensor de corriente, con la finalidad de que se active sólo cuando se registre una sobrecorriente. El sistema mantiene la seguridad de las personas, incluso cuando la puerta del equipo esté abierta y su clasificación de seguridad funcional SIL-2 garantiza su confiabilidad.

Como se reducen los costos por inmovilización y daños, algunas aseguradoras recomiendan el uso de estos sistemas y los tienen en cuenta al fijar las primas del seguro. Asimismo, muchos países tienen leyes de protección contra accidentes por arco y disposiciones como la directiva de baja tensión de la Unión Europea; éstas estipulan que hay que adoptar medidas de prevención de daños debidos, por ejemplo, al calentamiento excesivo ocasionado por descargas de arco.

De la misma forma, la serie de normas IEC 61439 fija las reglas y requisitos de interfaces, condiciones de servicio, construcción, prestaciones y verificación del switchgear de baja tensión y dispositivos de control. El objetivo principal de estas normas es el funcionamiento seguro en condiciones operativas normales y anormales, como sobretensiones, sobrecargas o corrientes de cortocircuito, pero no se han establecido requisitos sobre desperfectos por arco en el interior del conjunto. En vez de ello, los fabricantes buscan apoyo en el informe técnico 61641 de la IEC, cuyo título oficial es Enclosed low-voltage switchgear and controlgear assemblies – Guide for testing under conditions of arcing due to internal fault. No es una norma, sino un informe técnico y no se trata de una prueba obligatoria.

Los criterios que utiliza para evaluar la protección proporcionada por el conjunto son:

  1. Durante un incidente de formación de arco, las puertas y tapas cerradas no se abren correctamente y permanecen en su lugar, proporcionando un nivel mínimo de protección que cumple los requisitos de IP1X de la IEC 60529. Este criterio minimiza el riesgo de lesiones graves en las personas por impacto de puertas, tapas, etcétera, y asegura un nivel mínimo de protección frente al contacto accidental con partes activas peligrosas
  2. No saldrá expulsado algún componente que tenga una masa de más de 60 gramos, excepto los que se desprendan y caigan entre el conjunto e indicadores. Esto disminuye el peligro debido a la proyección de objetos
  3. El arco no produce perforaciones en las partes exteriores de la carcasa por debajo de dos metros, en los lados declarados accesibles, como consecuencia del fuego u otros efectos. Esto minimiza el peligro de lesiones graves por combustión directa desde el arco
  4. Los indicadores no entrarán en combustión (se excluyen de esta evaluación las pinturas o etiquetas de los indicadores)
  5. El circuito de protección para la parte accesible de la carcasa sigue siendo efectivo según la IEC 61439-2
  6. El montaje es capaz de mantener el arco dentro del área definida en que se inició y evita la propagación a otras áreas. Son aceptables los efectos producidos por gases calientes y formación de hollín en unidades cercanas distintas de la sometida a prueba, siempre que la limpieza sea la única reparación necesaria
  7. Luego de la resolución de la avería, o tras el aislamiento o desmontaje de las unidades funcionales afectadas en la zona definida, es posible el funcionamiento en emergencia del resto del equipo. Esto se verificará mediante una prueba de dieléctrico según la IEC 61439-2:2011, 10.9.2, pero con una tensión de ensayo 1.5 veces la tensión nominal durante un minuto. Se acepta la deformación de puertas y tapas de la unidad sometida a prueba y de las cercanas siempre que puedan repararse para que proporcionen un nivel mínimo de protección según la IPXXB de la IEC 60529. Excepto la zona probada, de acuerdo con lo declarado por el fabricante, todas las demás unidades deben permanecer totalmente operativas, tanto mecánica como eléctricamente y continuar en el mismo estado que antes de la prueba
Al usar una solución de switchgear bien diseñada y probada, así como un producto de atenuación del arco rápido y eficaz, el peligro de la descarga del arco puede reducirse al mínimo

Cuando se practican los criterios establecidos del punto 1 al 6 se consigue la protección personal y del conjunto, mientras que con el cumplimiento de los 7 principios se logra la protección personal y del conjunto con capacidad operativa limitada.

Las descargas de arco plantean un grave peligro para el personal y los equipos en instalaciones eléctricas. No obstante, utilizando una solución de switchgear bien diseñada y probada, así como un producto de atenuación del arco rápido y eficaz, el peligro de la descarga del arco puede reducirse al mínimo.

 

Pavlo Tkachenko
ABB Electrification Products Bérgamo, Italia.

 Andreas von Lako
ABB Electrification Products Västerås, Suecia.

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