Peligros eléctricos

La energía eléctrica es muy peligrosa por los daños que puede causar, incluso en descargas mínimas.

Por muchos años los seres humanos has reconocido la peligrosidad de la electricidad, pero aun no conciben los peligros que pueden suscitarse.

Por Javier Oropeza Ángeles.

En el manejo de la energía eléctrica, las personas están continuamente expuestas a los peligros asociados con la electricidad, los cuales no son completamente entendidos. Es por eso que las personas que trabajan con este tipo de energía deben identificarlos claramente.

Por muchos años, los seres humanos han reconocido la peligrosidad del fuego y de las descargas eléctricas, pero todavía no conciben los otros peligros eléctricos que pueden ocurrir. La mayoría de las personas que trabajan con la energía eléctrica han tenido, cuando menos, la experiencia de una descarga eléctrica o de una explosión de equipo eléctrico.

Tipos de peligros

• El fuego
• La descarga eléctrica (electrical shock)
• Relámpago de arco (arc-flash)
• Explosión de arco (arc-blast)
• Luz intensa
• Ruido concentrado
• Daños a la piel por los campos magnéticos y por el plasma

Lesiones por peligros eléctricos

• Electrocución por descarga eléctrica
• Quemaduras
• Lesiones causadas por el contacto eléctrico
• Lesiones a causa de partes y piezas por la explosión del equipo eléctrico
• Lesiones por relámpago de arco: daño a los ojos y oídos

Fuego
De acuerdo con las investigaciones, cuando ocurre un incendio, en la mayoría de los casos se ha concluido que fue iniciado por una fuente eléctrica. Es por eso que todas las instalaciones eléctricas deben de cumplir con la NOM-001-SEDE-2005 o con el NEC.

El objetivo principal de la Norma es evitar que la ignición sea la energía eléctrica. Es por ello, también, que las condiciones de diseño de una instalación eléctrica se deben mantener optimizadas para evitar cualquier anomalía.

Descarga eléctrica
Desde el siglo XIX, la descarga eléctrica ha sido reconocida como un peligro debido a su ingente potencial de electrocución. La electrocución es la muerte causada por una corriente o descarga eléctrica.

La descarga eléctrica ocurre cuando una persona hace contacto con un conductor eléctrico energizado desnudo o sin aislamiento. Al hacer contacto, la corriente circulará por alguna parte del cuerpo.

Es importante hacer mención que la corriente eléctrica no circulará, sino hasta que el circuito se cierre o se complemente. Las partes del cuerpo son conductoras de electricidad (la sangre, el tejido, los músculos). La sangre oxigenada es un buen conductor de electricidad, debido a que es un electrolito.

Cuando la corriente eléctrica circula por el cuerpo humano se comporta de acuerdo con las leyes físicas que aplican a los conductores de cobre o de aluminio, por lo que se deberá aplicar la Ley de Ohm para conocer la corriente que puede circular por el cuerpo humano.

Ley de Ohm: I = V / R

I.          Intensidad de corriente (en amperes)
V.         Tensión eléctrica (en voltios)
R.        Resistencia eléctrica (en ohms)

Cuando la persona realiza contacto con algún punto energizado, se debe hacer en concordancia con el contacto con otro punto que se encuentre a diferente tensión para que exista una diferencia de potencial entre dos puntos del cuerpo humano y pueda circular la corriente eléctrica.

Cuando ocurre una descarga eléctrica en el cuerpo humano, la corriente entra en el cuerpo en el punto en que hace contacto; en tal punto quedará un orificio y otro en la salida de la corriente eléctrica. Durante su trayectoria, la corriente eléctrica quemará tejidos y órganos; asimismo, afectará la composición y función de los órganos, pudiendo provocar la muerte. Para evitar la exposición a una descarga eléctrica, las personas deben evitar el contacto con conductores energizados desnudos.

El mensaje que debe asimilarse es: las personas deben estar conscientes que están continuamente en contacto con la tierra.

En la mayoría de los casos, las personas están en contacto con tierra todo el tiempo; por ejemplo: las partes metálicas son conductivas, el suelo húmedo o mojado es conductivo, los zapatos son conductivos, el armazón de los lentes es conductivo. La resistencia o impedancia del cuerpo humano varía de una persona a otra, pero estas características pueden generalizarse.

La siguiente tabla muestra la reacción de una persona al sufrir una descarga eléctrica:

La tabla muestra que la corriente eléctrica que entra en el cuerpo humano es pequeña en extremo. Cuando ocurre una descarga eléctrica con una corriente de menos de 0.010 A, la persona experimenta la sensación de que “se empieza a jalar dentro del circuito” y de dolor. Cuando ocurre una descarga eléctrica con una corriente de 0.23 a 0.40 A la persona percibe una señal y el cerebro envía la orden al músculo de desprenderse. El músculo se contrae y se requiere de una fuerza externa para romper la conexión.

Si el tiempo de exposición es grande, la corriente circulará por mayor tiempo y puede haber un impacto significativo. Cuando ocurre una descarga eléctrica con una corriente de 0.200 A y el tiempo de duración es de un segundo, la fibrilación puede comenzar. La fibrilación es una contracción muy rápida e irregular del corazón, que ocurre cuando el ritmo del corazón es interrumpido. En ese momento es necesaria la intervención de un médico. Durante los primeros minutos puede restablecerse la actividad del corazón; se debe realizar entre 3 y 4 minutos, máximo.

Cualquier equipo eléctrico puede ser fuente de una descarga eléctrica; por lo que, si no se realiza una adecuada puesta a tierra, es una fuente de peligro.

Para que una persona evite una descarga eléctrica deberá no tener contacto simultáneo entre una parte energizada y tierra.

También puede existir contacto con una parte energizada si la persona se encuentra aislada; como, por ejemplo, los pájaros que se posan sobre los cables desnudos.

En la mayoría de los casos, las personas requieren trabajar con equipos energizados, por lo que deberán estar entrenadas adecuadamente. Los electricistas pueden incrementar su protección a la exposición de la energía eléctrica utilizando equipo de protección personal, que funciona como aislante. Si los brazos y las manos son aislados completamente, la persona puede tocar los conductores energizados sin sufrir daño alguno.

Relámpago de arco

Relámpago de arco (arc-flash)

Un relámpago de arco es la liberación de energía concentrada que resulta de una falla de arco. Tal falla de arco es un cortocircuito entre las tres fases. El relámpago de arco resulta del paso sustancial de las corrientes eléctricas a través del aire, acompañadas del material de la terminal donde se produce el arco eléctrico. Generalmente, este material es de cobre o aluminio.

Se muestra el límite de exposición a un relámpago de arco

Cuando sucede un arco eléctrico, se producen temperaturas alrededor de 14 000°F a 30 000°F, con lo que habría daños térmicos de superficies calientes, llamas e incendios en los edificios.

La evolución en el conocimiento del fenómeno de relámpago de arco y la implementación de los métodos de manejo del peligro, se ha dado desde el año 1981.

Las temperaturas obtenidas en los arcos eléctricos son cuatro veces más altas que la temperatura de la superficie solar, las cuales pueden causar quemaduras fatales a una distancia de 1.52 m y quemaduras mayores a una distancia de 3.05 m.

Ralph H. Lee desarrolló un documento sobre la evaluación del grado de peligro con distintas tensiones y capacidades de equipo eléctrico, indicando las precauciones y medios de protección para evitar daño de la fuente eléctrica.

El arco eléctrico que se produce entre metales es parecido al rayo láser, que es el elemento más caliente sobre la tierra.

El vapor producido tiene una alta resistencia con respecto a la resistencia del metal. La inductancia de la trayectoria del arco no es tan apreciable como la de un conductor sólido de la misma longitud; por lo tanto, la trayectoria de la corriente del arco eléctrico es de naturaleza resistiva, con un factor de potencia unitario.

El calor transferido de un objeto caliente, a un objeto frío está en función de la diferencia entre las cuatro fuerzas y sus temperaturas absolutas:

h = C x 3.68 (Te4 – Ta4) x 10 -11 ec 1
h: calor transferido, W/pulg² = 6.45 W/cm²
C: coeficiente de absorción de la superficie absorbente
Te: temperatura absoluta de la superficie que emite, °K
Ta: temperatura absoluta de la superficie absorbente, °K

El calor generado por la fuente por unidad del área de la superficie es:

h = 3.68 x T4- 10 -11  W/pulg²
h = 0.571 x T4- 10 -11 W/cm²

Para encontrar el calor recibido por el objeto, por unidad de área, se necesita conocer:

Qs: calor emitido por la fuente, por unidad de área
As: superficie total del área de la fuente
Ao: área de la superficie del objeto proyectado, a lo largo del plano normal, en dirección al objeto de la fuente
Qo: calor absorbido por la superficie del objeto proyectado

Se obtiene la siguiente ecuación:

Qo = ((Qs As)/ (4 ? rs²)) (Ao)

La siguiente figura ilustra la relación. El calor recibido por unidad del área proyectada del objeto es el calor radiado por unidad de área de la fuente del área de la superficie de la fuente, dividido por 4 ? veces el radio al cuadrado de la fuente al objeto.

Tensiones y corrientes obtenidas en un relámpago de arco

En una falla de cortocircuito sólido no hay arco, pero se genera un calor pequeño. La resistencia es apreciable en el punto de falla, la temperatura puede ser alta para fundir el metal y se podría iniciar el arco. El arco largo depende de la tensión del sistema. Si la tensión es menor, la corriente decrecerá.

En la figura anterior, el sistema tiene un valor de tensión E? y una impedancia total Zs. Cuatro condiciones de arco se muestran: una de longitud cero (falla sólida), una de longitud corta (1), una de longitud moderada (2) y una de longitud grande (3). La impedancia del arco es puramente resistiva y el sistema es puramente inductivo. Las caídas de tensión a través del arco y del sistema están en cuadratura para todas las longitudes de arco.

La intersección de los vectores de la caída de tensión de la fuente (Es) y la caída de tensión del arco (Ea) es un semicírculo con diámetro Es0; la caída de tensión del arco para una falla sólida es igual E?.

Para todos los valores o longitudes del arco, la corriente total se representa por los vectores de corriente I0, I1, I2, I3, todas con ángulos rectos a su correspondiente Es. La magnitud de los vectores I es proporcional a los vectores de Es, con lo que se relacionan a través de Zs.

I = Es / Zs

• La energía total del arco es el producto de Ea por I
• La energía es cero para una falla sólida (se aprecia en la condición 1)
• La energía es muy substancial para la condición 2
• La energía en la condición 3 sufre un decremento, donde se observa que la tensión del arco se incrementa moderadamente cuando la corriente sufre un decremento substancial

En la región entre la condición 2 y la condición 3, la longitud del arco puede ser tan grande que el arco mismo se extinga o al menos llegue a estabilizarse a un nivel de corriente bajo. Esto puede suceder en la condición de quemadura. En los buses de 480/277 V espaciados, el arco se puede estabilizar alrededor de 1 mil 500 A para 10 cm (4”) de separación a 277 V.

Para la condición 2, donde la caída de tensión es igual a la caída de tensión del sistema, existe la máxima condición de arco.

La caída de tensión en el arco es de 70.7% de la tensión de alimentación en una falla sólida. Están en fase; el producto es una potencia pura; el factor de potencia es de 45o atrasado, debido a que la impedancia del alimentador tiene un factor de potencia 0. Bajo estas condiciones la potencia máxima del arco es 0.70712 de 0.5 veces la máxima corriente de falla sólida en KVA del sistema, en ese punto.

Entonces, se puede ver que la máxima energía de arco en watts es 0.5 veces la máxima falla sólida en VA, en ese punto. Cuando se tenga la condición de peligro de una descarga eléctrica, se debe basar en la posibilidad del peligro de una explosión de arco cuando se tengan las condiciones máximas.

La posibilidad de peligro, entonces, se puede calcular para un rango completo de tensiones del sistema, teniendo las corrientes disponibles de falla sólidas. También se puede determinar la potencia del arco, el tamaño de la esfera, la temperatura por unidad de tiempo/por unidad de superficie para un rango completo de distancias de arco.

El animal humano existe solamente con la temperatura normal de la sangre de 97.7^oF o 36.5oC. Menor a este nivel requiere aislamiento con ropa. Artz muestra que a la temperatura de 44^oC, 110^oF, la temperatura del cuerpo se equilibra y empieza a decaer en un periodo de 6 horas. El daño a célula puede ocurrir después de 6 horas a esta temperatura.

Entre 44^oC y 51^oC, el rango de destrucción de la célula es el doble por cada aumento de temperatura de 1^oC y arriba de 51^oC. A 70^oC, con una duración de 1 segundo es suficiente para la destrucción total de la célula.

La uniformidad de la capacidad de los valores de las tensiones es muy interesante. Hay que recordar que esto es aplicable con una separación uniforme de 36” (91.4 cm) y variará directamente con el cuadrado del valor de la distancia de separación. Normalmente, el espacio varía directamente con la tensión y el equipo.

El peligro de quemadura es proporcional al arco en kW (fuente en kVA). Así, podemos interrelacionar los kVA de la fuente con la distancia con la que puede ocurrir una quemadura como se indica en la tabla IV.

Para valores de tiempo diferentes a 0.1 s, la distancia se debe multiplicar por la raíz cuadrada del valor actual del tiempo a 0.1 segundos.

Distancia- capacidad de la fuente para quemadura peligrosa a 0.1 segundo
DISTANCIA		MVA´S DE LA FUENTE TODAS LAS TENSIONES
Pulg	CM
20	50,8	0,54
24	61,0	0,78
30	76,2	1,21
36	91,4	1,75
60	152,4	4,86
120	304,8	19,4

Explosión de arco
La explosión de arco es la oposición a la ráfaga de arco, la cual tiene un efecto térmico y se asocia con una presión extrema y rápida hacia la estructura. Cuando la persona está expuesta a una onda de presión frontal producida por la explosión de arco, produce una diferencia de presión entre la parte del cuerpo y la parte opuesta. Entonces sucede que las partes internas del cuerpo estarán expuestas a la misma presión diferencial. Además, se presentan fuerzas explosivas y térmicas que dan lugar a que se presente una luz y sonido intenso. Para OSHA, una intensidad de sonido de 85 decibeles requiere protección de oídos.
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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 DF. Miembro activo del Colegio de Ingenieros Mecánicos y Electricistas.