Un arco eléctrico es la luz y el calor producidos como parte de una falla de arco (a veces denominada descarga eléctrica ), un tipo de explosión o descarga eléctrica que resulta de una conexión a través del aire a tierra u otra fase de voltaje en un sistema eléctrico.
El arco eléctrico es claramente diferente de la explosión de arco , que es la onda de choque supersónica que se produce cuando el arco no controlado vaporiza los conductores metálicos. Ambos son parte de la misma falla de arco y a menudo se los denomina simplemente arco eléctrico, pero desde el punto de vista de la seguridad a menudo se los trata por separado. Por ejemplo, se puede utilizar equipo de protección personal (EPP) para proteger eficazmente a un trabajador de la radiación de un arco eléctrico, pero ese mismo EPP puede ser probablemente ineficaz contra los objetos voladores, el metal fundido y la conmoción cerebral violenta que puede producir la explosión de arco. (Por ejemplo, es poco probable que la protección contra arcos eléctricos de categoría 4, similar a un traje antibombas , proteja a una persona de la conmoción cerebral de una explosión muy grande, aunque puede evitar que el trabajador sea vaporizado por la luz intensa del destello). Por esta razón, generalmente se toman otras precauciones de seguridad además de usar EPP, lo que ayuda a prevenir lesiones. [1] Sin embargo, el fenómeno de la explosión de arco a veces se utiliza para extinguir el arco eléctrico mediante algunos tipos de disyuntores con cámara de autodescarga .
Un arco eléctrico es la luz y el calor producidos por un arco eléctrico alimentado con suficiente energía eléctrica para causar daños sustanciales, lesiones, incendios o lesiones. Los arcos eléctricos experimentan una resistencia incremental negativa , lo que hace que la resistencia eléctrica disminuya a medida que aumenta la temperatura del arco. Por lo tanto, a medida que el arco se desarrolla y se calienta, la resistencia disminuye, consumiendo cada vez más corriente (descontrol) hasta que alguna parte del sistema se derrite, se dispara o se evapora, proporcionando suficiente distancia para romper el circuito y extinguir el arco. [2] Los arcos eléctricos, cuando están bien controlados y alimentados por energía limitada, producen una luz muy brillante y se utilizan en lámparas de arco (cerradas o con electrodos abiertos), para soldadura, corte por plasma y otras aplicaciones industriales. Los arcos de soldadura pueden convertir fácilmente el acero en un líquido con un promedio de solo 24 voltios de CC . Cuando se forma un arco incontrolado a altos voltajes, y especialmente donde se utilizan grandes cables de alimentación o conductores de alta corriente, los destellos de arco pueden producir ruidos ensordecedores, fuerzas de conmoción supersónicas, metralla sobrecalentada , temperaturas mucho mayores que la superficie del Sol y una radiación intensa y de alta energía capaz de vaporizar materiales cercanos.
Las temperaturas de los arcos eléctricos pueden alcanzar o superar los 35 000 °F (19 400 °C) en las terminales del arco. [3] La enorme energía liberada en la falla vaporiza rápidamente los conductores metálicos involucrados, expulsando el metal fundido y expandiendo el plasma hacia afuera con una fuerza extraordinaria. [3] Un incidente típico de arco eléctrico puede ser intrascendente, pero podría fácilmente producir una explosión más severa (ver el cálculo a continuación). El resultado del evento violento puede causar la destrucción del equipo involucrado, un incendio y lesiones no solo a un trabajador eléctrico sino también a los transeúntes. Durante el arco eléctrico, la energía eléctrica vaporiza el metal, que cambia de estado sólido a vapor de gas, expandiéndolo con fuerza explosiva. Por ejemplo, cuando el cobre se vaporiza, de repente se expande por un factor de 67 000 en volumen. [4]
Además de la explosión, llamada explosión de arco de una falla de este tipo, también se produce destrucción a causa del intenso calor radiante producido por el arco. El arco de plasma metálico produce enormes cantidades de energía luminosa, desde el infrarrojo lejano hasta el ultravioleta . Las superficies de los objetos cercanos, incluidas las personas, absorben esta energía y se calientan instantáneamente hasta alcanzar temperaturas de vaporización. Los efectos de esto se pueden ver en las paredes y los equipos adyacentes, que a menudo quedan erosionados por los efectos radiantes.
La mayoría de los servicios eléctricos de 400 V o más tienen la capacidad suficiente para provocar un peligro de arco eléctrico. [ cita requerida ] Los equipos de media tensión (por encima de 1000 V) tienen un potencial más alto y, por lo tanto, un mayor riesgo de peligro de arco eléctrico. [ cita requerida ] Los voltajes más altos pueden hacer que salte una chispa, iniciando un arco eléctrico sin necesidad de contacto físico, y pueden mantener un arco en espacios más largos. La mayoría de las líneas eléctricas utilizan voltajes que superan los 1000 voltios y pueden ser un peligro de arco eléctrico para pájaros, ardillas, personas o equipos como vehículos o escaleras. Los arcos eléctricos a menudo se observan desde líneas o transformadores justo antes de un corte de energía, creando destellos brillantes como relámpagos que se pueden ver desde largas distancias. [ 5 ]
Las líneas eléctricas de alta tensión suelen funcionar en el rango de decenas a cientos de kilovoltios, lo que puede dar lugar a arcos eléctricos muy largos, a menudo denominados descargas disruptivas. Por lo general, se debe tener cuidado de garantizar que las líneas estén aisladas con una "clasificación de descarga disruptiva" adecuada y lo suficientemente espaciadas entre sí para evitar que se desarrolle un arco eléctrico de forma espontánea. Si las líneas de alta tensión se acercan demasiado, ya sea entre sí o a tierra, puede formarse una descarga de corona entre los conductores. Esto suele ser una luz azul o rojiza causada por la ionización del aire, acompañada de un silbido o un sonido de fritura. La descarga de corona puede provocar fácilmente un arco eléctrico, al crear una vía conductora entre las líneas. Esta ionización puede aumentar durante las tormentas eléctricas, lo que provoca arcos eléctricos espontáneos y da lugar a cortes de energía. [6]
Como ejemplo de la energía liberada en un incidente de arco eléctrico, en una falla monofásica en un sistema de 480 V con 20.000 amperios de corriente de falla, la potencia resultante es de 9,6 MW . Si la falla dura 10 ciclos a 60 Hz, la energía resultante sería de 1,6 megajulios . A modo de comparación, el TNT libera 2175 J/g o más cuando se detona (se utiliza un valor convencional de 4184 J/g para el equivalente de TNT ). Por lo tanto, esta energía de falla es equivalente a 380 gramos (aproximadamente 0,8 libras) de TNT. [ cita requerida ] El carácter de una explosión de arco eléctrico es bastante diferente de una explosión química (más calor y luz, menos choque mecánico), pero la devastación resultante es comparable. El vapor sobrecalentado en rápida expansión producido por el arco puede causar lesiones o daños graves, y la intensa luz ultravioleta , visible e infrarroja producida por el arco puede cegar temporalmente y, a veces, incluso de forma permanente, o causar daños oculares a las personas.
Hay cuatro tipos diferentes de eventos de arco eléctrico que se deben evaluar al diseñar programas de seguridad:
Una de las causas más comunes de lesiones por arco eléctrico ocurre al encender circuitos eléctricos y, especialmente, disyuntores disparados. Un disyuntor disparado a menudo indica que se ha producido una falla en algún lugar de la línea desde el panel. La falla generalmente debe aislarse antes de encender la energía, o puede generarse fácilmente un arco eléctrico. Los arcos pequeños generalmente se forman en los interruptores cuando los contactos se tocan por primera vez, y pueden proporcionar un lugar para que se desarrolle un arco eléctrico. Si el voltaje es lo suficientemente alto y los cables que conducen a la falla son lo suficientemente grandes como para permitir una cantidad sustancial de corriente, se puede formar un arco eléctrico dentro del panel cuando se enciende el disyuntor. Generalmente, un motor eléctrico con bobinas en cortocircuito o un transformador de potencia en cortocircuito es el culpable, siendo capaz de extraer la energía necesaria para sostener un arco eléctrico peligroso. Los motores de más de dos caballos de fuerza generalmente tienen arrancadores magnéticos , tanto para aislar al operador de los contactos de alta energía como para permitir la desconexión del contactor si se dispara el disyuntor.
Los disyuntores suelen ser la principal defensa contra las fugas de corriente, especialmente si no hay fusibles secundarios, por lo que si se desarrolla un arco eléctrico en un disyuntor, es posible que no haya nada que impida que se descontrole. Una vez que se inicia un arco eléctrico en un disyuntor, puede migrar rápidamente de un solo circuito a las barras colectoras del propio panel, lo que permite que fluyan energías muy altas. Por lo general, se deben tomar precauciones al accionar disyuntores, como mantenerse a un lado mientras se acciona para no estorbar, usar ropa protectora o apagar equipos, circuitos y paneles antes de accionar el interruptor. Los cuadros de distribución de gran tamaño suelen ser capaces de manejar energías muy altas y, por lo tanto, muchos lugares requieren el uso de equipos de protección completos antes de encender uno. [8]
Además del calor, la luz y las fuerzas de conmoción, un arco eléctrico también produce una nube de plasma y partículas ionizadas. Cuando se inhala, este gas ionizado puede causar quemaduras graves en las vías respiratorias y los pulmones. El plasma cargado también puede ser atraído por objetos metálicos que lleven las personas que se encuentren cerca, como pendientes, hebillas de cinturón, llaves, joyas corporales o monturas de gafas, lo que provoca quemaduras localizadas graves. Al conmutar circuitos, el técnico debe tener cuidado de quitarse todos los metales del cuerpo, contener la respiración y cerrar los ojos. Es más probable que se forme un arco eléctrico en un interruptor que se cierra lentamente, al dejar tiempo para que se forme un arco entre los contactos, por lo que suele ser más conveniente "activar" los interruptores con un movimiento rápido, haciendo un buen contacto de forma rápida y firme. Los interruptores de alta corriente suelen tener un sistema de resortes y palancas para ayudar con esto. [8]
Al realizar pruebas en circuitos de alta potencia energizados, los técnicos observarán precauciones para el cuidado y mantenimiento del equipo de prueba y para mantener el área limpia y libre de residuos. Un técnico utilizará equipo de protección, como guantes de goma y otros equipos de protección personal, para evitar iniciar un arco y proteger al personal de cualquier arco que pueda iniciarse durante la prueba. [9] [10] [11]
Existen muchos métodos para proteger al personal de los peligros de arco eléctrico. Esto puede incluir que el personal use equipo de protección personal (EPP) contra arcos eléctricos o que modifique el diseño y la configuración del equipo eléctrico. La mejor manera de eliminar los peligros de un arco eléctrico es desenergizar el equipo eléctrico cuando se interactúa con él, sin embargo, desenergizar el equipo eléctrico es en sí mismo un peligro de arco eléctrico. En este caso, una de las soluciones más nuevas es permitir que el operador se coloque lejos del equipo eléctrico operando el equipo de forma remota, esto se puede hacer con equipos que tienen interruptores operados de forma remota o con bastidores remotos. [12]
Con la creciente conciencia sobre los peligros del arco eléctrico, han surgido muchas empresas que ofrecen equipos de protección personal (EPP) contra arco eléctrico, como trajes, overoles, cascos, botas y guantes.
La eficacia de los equipos de protección se mide por su clasificación de arco. La clasificación de arco es la máxima resistencia a la energía incidente demostrada por un material antes de romperse (agujero en el material) o necesaria para atravesarlo y causar una probabilidad del 50% de quemaduras de segundo grado. [4] La clasificación de arco normalmente se expresa en cal /cm2 ( o pequeñas calorías de energía térmica por centímetro cuadrado). Las pruebas para determinar la clasificación de arco se definen en la norma ASTM F1506 Especificación de rendimiento estándar para materiales textiles resistentes a las llamas para prendas de vestir para uso de trabajadores eléctricos expuestos a arcos eléctricos momentáneos y peligros térmicos relacionados .
La selección del EPP adecuado, dada una determinada tarea a realizar, normalmente se maneja de una de dos maneras posibles. El primer método es consultar una tabla de clasificación de categorías de peligro, como la que se encuentra en NFPA 70E Error: an error occurred . La Tabla 130.7(C)(15)(a) enumera una serie de tareas eléctricas típicas por varios niveles de voltaje y recomienda la categoría de EPP que se debe usar. Por ejemplo, cuando se trabaja en un tablero de distribución de 600 V y se realiza una remoción de cubiertas atornilladas para exponer partes desnudas y energizadas, la tabla recomienda un Sistema de Ropa Protectora de Categoría 3. Este sistema de Categoría 3 corresponde a un conjunto de EPP que en conjunto ofrece protección hasta 25 cal/cm2 ( 105 J /cm2 o 1,05 MJ/m2 ) . La clasificación mínima de EPP necesaria para cualquier categoría es la energía máxima disponible para esa categoría. Por ejemplo, un riesgo de arco eléctrico de categoría 3 requiere EPP clasificado para no menos de 25 cal/cm2 ( 1,05 MJ /m2 ) .
El segundo método para seleccionar el EPP es realizar un cálculo del riesgo de arco eléctrico para determinar la energía de arco incidente disponible. La norma IEEE 1584 proporciona una guía para realizar estos cálculos, siempre que se conozca la corriente de falla máxima, la duración de las fallas y otra información general del equipo. Una vez calculada la energía incidente, se puede seleccionar el conjunto adecuado de EPP que ofrezca una protección mayor que la energía disponible.
Los EPP brindan protección después de que se produce un incidente de arco eléctrico y deben considerarse como la última línea de protección. Reducir la frecuencia y la gravedad de los incidentes debe ser la primera opción y esto se puede lograr mediante una evaluación completa del peligro de arco eléctrico y mediante la aplicación de tecnología como la conexión a tierra de alta resistencia, que ha demostrado reducir la frecuencia y la gravedad de los incidentes.
Hay tres factores clave que determinan la intensidad de un arco eléctrico sobre el personal: la cantidad de corriente de falla disponible en un sistema, el tiempo que transcurre hasta que se elimina el arco eléctrico y la distancia a la que se encuentra una persona respecto del arco eléctrico. Se pueden tomar diversas decisiones de diseño y configuración de equipos para influir en estos factores y, a su vez, reducir el peligro de arco eléctrico.
La corriente de falla se puede limitar mediante el uso de dispositivos limitadores de corriente, como disyuntores limitadores de corriente, resistencias de conexión a tierra, bobinas de supresión de arco o fusibles. Si la corriente de falla se limita a 5 amperios o menos, muchas fallas a tierra se autoextinguen y no se propagan a fallas de fase a fase.
El tiempo de formación de arcos eléctricos se puede reducir configurando temporalmente los dispositivos de protección aguas arriba a puntos de ajuste más bajos durante los períodos de mantenimiento, o empleando protección de enclavamiento selectivo por zonas (ZSIP). [ cita requerida ] Con el enclavamiento selectivo por zonas, un disyuntor aguas abajo que detecta una falla se comunica con un disyuntor aguas arriba para retrasar su función de disparo instantáneo. De esta manera se preservará la "selectividad", en otras palabras, las fallas en el circuito son eliminadas por el disyuntor más cercano a la falla, minimizando el efecto en todo el sistema. Una falla en un circuito derivado será detectada por todos los disyuntores aguas arriba de la falla (más cerca de la fuente de energía). El disyuntor más cercano a la falla aguas abajo enviará una señal de restricción para evitar que los disyuntores aguas arriba se disparen instantáneamente. La presencia de la falla, no obstante, activará el(los) temporizador(es) de retardo de disparo preestablecido(s) del(los) disyuntor(es) aguas arriba; esto permitirá que un disyuntor aguas arriba interrumpa la falla, si aún es necesario después de que haya transcurrido el tiempo preestablecido. El sistema ZSIP permite utilizar configuraciones de disparo instantáneo más rápidas, sin pérdida de selectividad. Los tiempos de disparo más rápidos reducen la energía total en una descarga de falla de arco.
El tiempo de formación de arcos eléctricos se puede reducir significativamente mediante la protección basada en la detección de la luz del arco eléctrico. La detección óptica suele combinarse con información de sobrecorriente. [13] La protección basada en la luz y la corriente se puede configurar con relés de protección dedicados contra arcos eléctricos o utilizando relés de protección normales equipados con una opción adicional contra arcos eléctricos.
Uno de los medios más eficientes para reducir el tiempo de formación de arcos eléctricos es utilizar un eliminador de arcos eléctricos [ se necesita más explicación ] que extinguirá el arco en unos pocos milisegundos. El eliminador de arcos eléctricos funciona en 1-4 ms y crea un cortocircuito trifásico en otra parte del sistema, normalmente aguas arriba a voltajes más altos. Este dispositivo contiene un pin de contacto rápido que, al ser activado por un relé externo, hace contacto físico con el bus energizado, lo que crea el cortocircuito. El eliminador de arcos eléctricos protegerá a una persona si se encuentra frente al evento de arco eléctrico y los relés detectan el arco eléctrico desviándolo a otra ubicación, aunque la desviación puede causar una falla del sistema en la ubicación a la que se desvió el cortocircuito. Estos dispositivos deben reemplazarse después de una operación.
Otra forma de mitigar el arco eléctrico es utilizar un limitador de corriente activado [14] o un limitador de corriente de conmutación que inserta un fusible limitador de corriente continua de baja corriente nominal que se funde e interrumpe el arco eléctrico en 4 ms. La ventaja de este dispositivo es que elimina el arco eléctrico en la fuente y no lo desvía a otra sección del sistema. Un limitador de corriente activado siempre será "limitador de corriente", lo que significa que interrumpirá el circuito antes de que se produzca la primera corriente pico. Estos dispositivos se controlan y detectan electrónicamente y proporcionan información al usuario sobre su estado operativo. También se pueden encender y apagar según se desee. Estos dispositivos deben reemplazarse después de una operación.
La energía radiante liberada por un arco eléctrico es capaz de herir o matar permanentemente a un ser humano a distancias de hasta 20 pies (6,1 m). [ cita requerida ] La distancia desde una fuente de arco eléctrico dentro de la cual una persona desprotegida tiene un 50% de posibilidades de recibir una quemadura de segundo grado se conoce como el "límite de protección contra el arco eléctrico". La energía incidente de 1,2 cal/cm2 sobre una piel desnuda se seleccionó para resolver la ecuación para el límite del arco eléctrico en IEEE 1584. [ 15] Las ecuaciones de límite de arco eléctrico IEEE 1584 también se pueden utilizar para calcular los límites de arco eléctrico con energía límite distinta de 1,2 cal/cm2, como la energía de inicio a la quemadura de segundo grado. Quienes realizan análisis de peligro de arco eléctrico deben considerar este límite y luego deben determinar qué EPP se debe usar dentro del límite de protección contra el arco eléctrico. Se pueden utilizar operadores remotos o robots para realizar actividades que tienen un alto riesgo de incidentes de arco eléctrico, como insertar disyuntores extraíbles en un bus eléctrico activo. Hay disponibles sistemas de estanterías remotas que mantienen al operador fuera de la zona de riesgo de arco eléctrico.
Tanto el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) como la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) han unido fuerzas en una iniciativa para financiar y apoyar la investigación y las pruebas para aumentar la comprensión del arco eléctrico. [16] Los resultados de este proyecto colaborativo proporcionarán información que se utilizará para mejorar los estándares de seguridad eléctrica, predecir los peligros asociados con las fallas de arco eléctrico y las explosiones de arco que las acompañan, y proporcionar salvaguardas prácticas para los empleados en el lugar de trabajo.
En un accidente industrial notable ocurrido en una subestación de Con Edison en Astoria, Queens, el 27 de diciembre de 2018, falló un dispositivo de potencial de condensador de acoplamiento de 138 000 voltios , lo que provocó un arco eléctrico que a su vez quemó aluminio , iluminando el cielo con un espectáculo azul verdoso visible a kilómetros de distancia. El evento fue ampliamente cubierto en las redes sociales y el aeropuerto LaGuardia se quedó sin electricidad temporalmente, pero no hubo muertos ni heridos. [20] [21]
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