Un arco eléctrico es la luz y el calor producidos como parte de una falla de arco , 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 del arco , que es la onda de choque supersónica producida cuando el arco incontrolado 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 tratan por separado. Por ejemplo, se puede utilizar equipo de protección personal (PPE) para proteger eficazmente a un trabajador de la radiación de un arco eléctrico, pero es probable que ese mismo PPE sea ineficaz contra los objetos voladores, el metal fundido y la conmoción violenta que la explosión del arco puede producir. . (Por ejemplo, es poco probable que la protección contra arco eléctrico 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 intensa luz del destello. ) Por este motivo, además del uso de EPI, normalmente se toman otras precauciones de seguridad, lo que ayuda a prevenir lesiones. [1] Sin embargo, el fenómeno de la explosión del arco se utiliza a veces para extinguir el arco eléctrico mediante algunos tipos de disyuntores de cámara de autoexplosión .
Un arco eléctrico es la luz y el calor producidos por un arco eléctrico al que se le suministra suficiente energía eléctrica para causar daños, perjuicios, incendios o lesiones sustanciales. 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 cae, consumiendo cada vez más corriente (fuera de control) hasta que una parte del sistema se derrita, se dispare o se evapore, proporcionando suficiente distancia para romper el circuito y extinguir el arco. [2] Los arcos eléctricos, cuando están bien controlados y alimentados con 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 líquido con un promedio de solo 24 voltios CC . Cuando se forma un arco incontrolado a altos voltajes, y especialmente cuando se utilizan grandes cables de suministro o conductores de alta corriente, los arcos eléctricos pueden producir ruidos ensordecedores, fuerzas de conmoción supersónicas, metralla sobrecalentada , temperaturas mucho mayores que la superficie del Sol y Radiación intensa y de alta energía capaz de vaporizar materiales cercanos.
Las temperaturas del arco eléctrico pueden alcanzar o superar los 35 000 °F (19 400 °C) en los terminales del arco. [3] La energía masiva liberada en la falla vaporiza rápidamente los conductores metálicos involucrados, haciendo estallar el metal fundido y expandiendo el plasma hacia afuera con una fuerza extraordinaria. [3] Un incidente típico de arco eléctrico puede ser intrascendente, pero posiblemente podría producir fácilmente una explosión más grave (consulte el cálculo a continuación). El resultado del evento violento puede causar la destrucción del equipo involucrado, incendio y lesiones no sólo al trabajador eléctrico sino también a los transeúntes. Durante el arco eléctrico, la energía eléctrica vaporiza el metal, que cambia de estado sólido a vapor gaseoso, expandiéndolo con fuerza explosiva. Por ejemplo, cuando el cobre se vaporiza, de repente se expande en un factor de 67.000 en volumen. [4]
Además de la explosión, llamada explosión de arco de este tipo de falla, la destrucción también se produce por el 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 a temperaturas de vaporización. Los efectos de esto se pueden ver en las paredes y equipos adyacentes; a menudo, los efectos radiantes los eliminan y erosionan.
Uno de los ejemplos más comunes de arco eléctrico ocurre cuando se funde una bombilla incandescente . Cuando el filamento se rompe, se forma un arco a lo largo del filamento, envolviéndolo en plasma con un destello azul brillante. La mayoría de las bombillas domésticas tienen un fusible incorporado para evitar que se forme un arco eléctrico sostenido y se fundan los fusibles en el panel del circuito. [2] La mayoría de los servicios eléctricos de 400 V y superiores tienen capacidad suficiente para provocar un riesgo de arco eléctrico. Los equipos de media tensión (por encima de 600 V) tienen un mayor potencial y, por lo tanto, un mayor riesgo de sufrir un arco eléctrico. 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 superiores a 1000 voltios y pueden representar 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. Por lo general, se debe tener cuidado para garantizar que las líneas estén aisladas con una "clasificación de descarga eléctrica" adecuada y suficientemente espaciadas entre sí para evitar que se desarrolle espontáneamente un arco eléctrico. Si las líneas de alta tensión se acercan demasiado entre sí o a tierra, se puede formar una descarga en corona entre los conductores. Suele ser una luz azul o rojiza causada por la ionización del aire, acompañada de un silbido o fritura. La descarga de corona puede provocar fácilmente un arco eléctrico al crear una vía conductora entre las líneas. Esta ionización puede mejorarse durante las tormentas eléctricas, provocando arcos eléctricos espontáneos y provocando cortes de energía. [6]
Como ejemplo de la energía liberada en un incidente de arco eléctrico, en una falla monofásica entre fases 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 tanto, esta energía de falla equivale a 380 gramos (aproximadamente 0,8 libras) de TNT. 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 que se expande rápidamente 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 permanentemente, 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, al disparar los disyuntores. Un disyuntor disparado a menudo indica que se ha producido una falla en algún lugar de la línea desde el panel. Por lo general, la falla debe aislarse antes de encender la energía, o se puede generar fácilmente un arco eléctrico. Generalmente se forman pequeños arcos 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, el culpable es un motor eléctrico con devanados en cortocircuito o un transformador de potencia en cortocircuito, ya que es capaz de extraer la energía necesaria para sostener un arco eléctrico peligroso. Los motores de más de dos caballos de fuerza suelen tener arrancadores magnéticos , para aislar al operador de los contactos de alta energía y para permitir la desconexión del contactor si se dispara el disyuntor.
Los disyuntores suelen ser la defensa principal contra la corriente descontrolada, especialmente si no hay fusibles secundarios, por lo que si se desarrolla un arco eléctrico en un disyuntor, puede que no haya nada que pueda evitar que se salga de control. Una vez que comienza un arco eléctrico en un interruptor, puede migrar rápidamente de un solo circuito a las barras colectoras del propio panel, permitiendo que fluyan energías muy altas. Por lo general, se deben tomar precauciones al cambiar disyuntores, como pararse a un lado mientras se cambia para mantener el cuerpo fuera del camino, usar ropa protectora o apagar equipos, circuitos y paneles en línea descendente antes de cambiar. Los equipos de distribución muy grandes a menudo pueden manejar energías muy altas y, por lo tanto, muchos lugares requieren el uso de equipo de protección completo 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 provocar quemaduras graves en las vías respiratorias y los pulmones. El plasma cargado también puede ser atraído por objetos metálicos usados por personas cercanas, como aretes, hebillas de cinturones, llaves, joyas para el cuerpo o monturas de gafas, provocando quemaduras graves localizadas. Al cambiar circuitos, un técnico debe tener cuidado de eliminar cualquier metal de su 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 permitir que se forme un arco entre los contactos, por lo que generalmente es más deseable "tirar" los interruptores con un movimiento rápido, haciendo un buen contacto rápida y firmemente. . Los interruptores de alta corriente suelen tener un sistema de resortes y palancas para ayudar con esto. [8]
Al realizar pruebas en circuitos energizados de alta potencia, los técnicos observarán precauciones para el cuidado y mantenimiento del equipo de prueba y mantendrán el área limpia y libre de desechos. Un técnico usaría 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 contra los riesgos de arco eléctrico. Esto puede incluir personal que use equipo de protección personal (PPE) contra arco eléctrico o que modifique el diseño y la configuración de equipos eléctricos. La mejor manera de eliminar los peligros de un arco eléctrico es desenergizar el equipo eléctrico al interactuar 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 novedosas es permitir que el operador se mantenga alejado del equipo eléctrico operando el equipo de forma remota, esto se puede hacer con equipos que tengan interruptores operados de forma remota o con rack remoto. [12]
Con una mayor conciencia reciente sobre los peligros del arco eléctrico, ha habido muchas empresas que ofrecen equipos de protección personal (PPE) contra arco eléctrico, como trajes, monos, cascos, botas y guantes.
La eficacia de los equipos de protección se mide por su clasificación de arco. La clasificación del arco es la resistencia máxima a la energía incidente demostrada por un material antes de romperse (un agujero en el material) o necesario para atravesarlo y causar una probabilidad del 50% de quemaduras de segundo grado. [4] La clasificación del arco normalmente se expresa en cal /cm 2 (o pequeñas calorías de energía térmica por centímetro cuadrado). Las pruebas para determinar la clasificación del arco se definen en la Especificación de rendimiento estándar ASTM F1506 para materiales textiles resistentes al fuego para prendas de vestir destinadas a trabajadores eléctricos expuestos a arcos eléctricos momentáneos y riesgos térmicos relacionados .
La selección del EPI adecuado, dada una determinada tarea a realizar, normalmente se realiza 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. La Tabla 130.7(C)(15)(a) enumera una serie de tareas eléctricas típicas según varios niveles de voltaje y recomienda la categoría de PPE que se debe usar. Por ejemplo, cuando se trabaja en un tablero de distribución de 600 V y se retiran las cubiertas atornilladas para exponer las piezas desnudas y energizadas, la tabla recomienda un sistema de ropa protectora de categoría 3. Este sistema de Categoría 3 corresponde a un conjunto de EPI que en conjunto ofrecen una protección de hasta 25 cal/cm 2 (105 J /cm 2 o 1,05 MJ/m 2 ). La clasificación mínima de PPE 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/cm 2 (1,05 MJ /m 2 ).
El segundo método para seleccionar el PPE es realizar un cálculo del riesgo de arco eléctrico para determinar la energía incidente del arco disponible. IEEE 1584 proporciona una guía para realizar estos cálculos dado que se conoce 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 de EPI adecuado que ofrezca una protección mayor que la energía disponible.
El EPP proporciona protección después de que ha ocurrido un incidente de arco eléctrico y debe considerarse como la última línea de protección. Reducir la frecuencia y la gravedad de los incidentes debería ser la primera opción y esto se puede lograr mediante una evaluación completa del riesgo de arco eléctrico y mediante la aplicación de tecnología como la puesta a tierra de alta resistencia, que se ha demostrado que reduce la frecuencia y la gravedad de los incidentes.
Tres factores clave determinan la intensidad de un arco eléctrico en el personal. Estos factores son la cantidad de corriente de falla disponible en un sistema, el tiempo hasta que se elimina una falla de arco eléctrico y la distancia a la que se encuentra un individuo de un arco de falla. Se pueden tomar varias opciones de diseño y configuración de equipos para afectar estos factores y, a su vez, reducir el riesgo 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 arco se puede reducir configurando temporalmente dispositivos de protección aguas arriba para reducir los puntos de ajuste durante los períodos de mantenimiento, o empleando protección de enclavamiento selectivo de zona (ZSIP). [ cita necesaria ] Con el enclavamiento selectivo de zona, un interruptor aguas abajo que detecta una falla se comunica con un interruptor aguas arriba para retrasar su función de disparo instantáneo. De esta manera se conservará la "selectividad", es decir, las fallas en el circuito son eliminadas por el interruptor 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. Sin embargo, la presencia del fallo activará el(los) temporizador(es) de retardo de disparo preestablecido(s) del(los) interruptor(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 ajustes de viaje instantáneos más rápidos, 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 arco se puede reducir significativamente mediante protección basada en la detección de luz de arco eléctrico. La detección óptica suele combinarse con información de sobrecorriente. [13] La protección basada en luz y corriente se puede configurar con relés de protección de arco eléctrico dedicados o mediante el uso de relés de protección normales equipados con una opción adicional de arco eléctrico.
Uno de los medios más eficientes para reducir el tiempo de formación de arco es utilizar un eliminador de arco [ se necesita más explicación ] que extinguirá el arco en unos pocos milisegundos. El eliminador de arco funciona en 1 a 4 ms y crea un cortocircuito trifásico en otra parte del sistema, normalmente aguas arriba con 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 que luego crea el cortocircuito. El eliminador de arco protegerá a un ser humano si está parado 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 el lugar donde se produjo el cortocircuito. desviado a. 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 clasificación que funde e interrumpe el arco eléctrico en 4 ms. La ventaja de este dispositivo es que elimina el arco eléctrico en su origen y no lo desvía a otra sección del sistema. Un limitador de corriente activado siempre será "Limitación de corriente", lo que significa que interrumpirá el circuito antes de que ocurra el primer pico de corriente. 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 permanentemente o matar a un ser humano a distancias de hasta 20 pies (6,1 m). [ cita necesaria ] La distancia desde una fuente de arco eléctrico dentro de la cual una persona desprotegida tiene un 50% de posibilidades de sufrir una quemadura de segundo grado se conoce como "límite de protección contra destellos". La energía incidente de 1,2 cal/cm 2 sobre la piel desnuda se seleccionó al resolver la ecuación para el límite del arco eléctrico en IEEE 1584 . [15] Las ecuaciones de límites de arco eléctrico IEEE 1584 también se pueden utilizar para calcular los límites de arco eléctrico con energía límite distinta de 1,2 cal/cm 2 , como la energía de inicio a quemaduras de segundo grado. Quienes realicen análisis de peligro de incendio deben considerar este límite y luego deben determinar qué PPE se debe usar dentro del límite de protección contra incendio. 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 con corriente. Hay sistemas de estanterías remotas disponibles que mantienen al operador fuera de la zona de peligro 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 investigaciones y 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 fallas de arco y las explosiones de arco que las acompañan, y proporcionar salvaguardias prácticas para los empleados en el lugar de trabajo.
En un notable accidente industrial en una subestación Con Edison de Astoria, Queens, el 27 de diciembre de 2018, un dispositivo potencial de condensador de acoplamiento de 138,000 voltios falló, lo que resultó en un arco eléctrico que a su vez quemó aluminio , iluminando el cielo con un espectáculo azul verdoso visible a millas de distancia. alrededor. 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]
{{cite magazine}}: Cite magazine requiere |magazine=( ayuda ){{cite web}}: Mantenimiento CS1: copia archivada como título ( enlace )