La electricidad de alto voltaje se refiere a un potencial eléctrico lo suficientemente grande como para causar lesiones o daños. En determinadas industrias, alto voltaje se refiere a un voltaje por encima de cierto umbral. Los equipos y conductores que transportan alto voltaje requieren requisitos y procedimientos de seguridad especiales .
El alto voltaje se utiliza en la distribución de energía eléctrica , en tubos de rayos catódicos , para generar rayos X y haces de partículas , para producir arcos eléctricos , para ignición, en tubos fotomultiplicadores y en tubos de vacío amplificadores de alta potencia , así como en otros usos industriales. , aplicaciones militares y científicas.
La definición numérica de alto voltaje depende del contexto. Dos factores considerados al clasificar un voltaje como alto voltaje son la posibilidad de provocar una chispa en el aire y el peligro de descarga eléctrica por contacto o proximidad.
La Comisión Electrotécnica Internacional y sus homólogos nacionales ( IET , IEEE , VDE , etc.) definen alto voltaje como superior a 1000 V para corriente alterna y al menos 1500 V para corriente continua . [1]
En Estados Unidos, el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) establece clasificaciones de voltaje nominal para sistemas de energía eléctrica de 60 Hz superiores a 100 V. Específicamente, ANSI C84.1-2020 define alto voltaje como 115 kV a 230 kV, voltaje extra alto como 345 kV a 765 kV y tensión ultraalta de 1.100 kV. [2] La norma británica BS 7671 :2008 define la alta tensión como cualquier diferencia de tensión entre conductores superior a 1000 VCA o 1500 V de CC sin ondulación, o cualquier diferencia de tensión entre un conductor y Tierra superior a 600 VCA o 900 V. CC sin ondulaciones. [3]
En algunas jurisdicciones, los electricistas solo pueden tener licencia para clases de voltaje particulares. [4] Por ejemplo, una licencia eléctrica para un subcomercio especializado, como la instalación de sistemas HVAC , sistemas de alarma contra incendios , sistemas de circuito cerrado de televisión, puede estar autorizada para instalar sistemas energizados hasta solo 30 voltios entre conductores, y puede no estar permitida. para trabajar en circuitos de tensión de red. El público en general puede considerar que los circuitos de red domésticos (de 100 a 250 VCA), que transportan los voltajes más altos que normalmente encuentran, son de alto voltaje .
Los voltajes superiores a aproximadamente 50 voltios generalmente pueden hacer que fluyan cantidades peligrosas de corriente a través de un ser humano que toca dos puntos de un circuito, por lo que las normas de seguridad son más restrictivas en torno a dichos circuitos.
En ingeniería automotriz , el alto voltaje se define como voltaje en el rango de 30 a 1000 VCA o de 60 a 1500 VCC. [5]
La definición de voltaje extra alto (EHV) nuevamente depende del contexto. En ingeniería de transmisión de energía eléctrica, los EHV se clasifican en voltajes en el rango de 345 000 a 765 000 V. [6] En los sistemas electrónicos, una fuente de alimentación que proporciona más de 275 000 voltios se denomina fuente de alimentación EHV y se utiliza a menudo en experimentos en física. El voltaje de aceleración de un tubo de rayos catódicos de televisión puede describirse como voltaje extra alto o tensión extra alta (EHT), en comparación con otros suministros de voltaje dentro del equipo. Este tipo de suministro oscila entre 5 kV y unos 30 kV.
Las chispas eléctricas estáticas comunes que se observan en condiciones de baja humedad siempre implican un voltaje muy superior a 700 V. Por ejemplo, las chispas en las puertas de los automóviles en invierno pueden implicar voltajes de hasta 20 000 V. [7]
Los generadores electrostáticos, como los generadores Van de Graaff y las máquinas Wimshurst , pueden producir voltajes cercanos a un millón de voltios a varios amperios, pero normalmente no duran lo suficiente como para causar daños. Las bobinas de inducción funcionan con el efecto flyback, lo que genera voltajes mayores que la relación de vueltas multiplicada por el voltaje de entrada. Por lo general, producen corrientes más altas que las máquinas electrostáticas, pero cada duplicación del voltaje de salida deseado aproximadamente duplica el peso debido a la cantidad de cable requerido en el devanado secundario. Por lo tanto, escalarlos a voltajes más altos agregando más vueltas de cable puede resultar poco práctico. El multiplicador Cockcroft-Walton se puede utilizar para multiplicar el voltaje producido por una bobina de inducción. Genera CC utilizando interruptores de diodos para cargar una escalera de condensadores. Las bobinas de Tesla utilizan resonancia, son livianas y no requieren semiconductores.
Las chispas de mayor escala son las producidas naturalmente por los rayos . Un rayo negativo promedio transporta una corriente de 30 a 50 kiloamperios, transfiere una carga de 5 culombios y disipa 500 megajulios de energía (equivalente a 120 kg de TNT , o suficiente para encender una bombilla de 100 vatios durante aproximadamente 2 meses). Sin embargo, un rayo positivo promedio (desde lo alto de una tormenta) puede transportar una corriente de 300 a 500 kiloamperios, transferir una carga de hasta 300 culombios, tener una diferencia de potencial de hasta 1 gigavoltio (mil millones de voltios) y puede disipar 300 GJ de energía (72 toneladas de TNT, o energía suficiente para encender una bombilla de 100 vatios durante hasta 95 años). Un rayo negativo normalmente dura sólo decenas de microsegundos, pero son comunes los impactos múltiples. Un rayo positivo suele ser un evento único, pero la corriente máxima más grande puede fluir durante cientos de milisegundos, lo que lo hace considerablemente más energético que un rayo negativo.
La resistencia a la ruptura dieléctrica del aire seco, a temperatura y presión estándar (STP), entre electrodos esféricos es de aproximadamente 33 kV/cm. [8] Esta es sólo una guía aproximada, ya que el voltaje de ruptura real depende en gran medida de la forma y el tamaño del electrodo. Los campos eléctricos fuertes (de altos voltajes aplicados a conductores pequeños o puntiagudos) a menudo producen descargas de corona de color violeta en el aire, así como chispas visibles. Los voltajes por debajo de aproximadamente 500 a 700 voltios no pueden producir chispas o brillos fácilmente visibles en el aire a presión atmosférica, por lo que según esta regla estos voltajes son "bajos". Sin embargo, en condiciones de baja presión atmosférica (como en aviones de gran altitud ), o en un ambiente de gases nobles como el argón o el neón , las chispas aparecen a voltajes mucho más bajos. De 500 a 700 voltios no es un mínimo fijo para producir chispas, pero es una regla general. Para el aire en condiciones STP, la tensión mínima de chispa es de unos 327 voltios, como señala Friedrich Paschen . [9]
Si bien los voltajes más bajos, en general, no saltan un espacio que está presente antes de aplicar el voltaje, interrumpir un flujo de corriente existente con un espacio a menudo produce una chispa o arco de bajo voltaje . A medida que los contactos se separan, algunos pequeños puntos de contacto se convierten en los últimos en separarse. La corriente se limita a estos pequeños puntos calientes , lo que hace que se vuelvan incandescentes, de modo que emiten electrones (a través de emisión termoiónica ). Incluso una pequeña batería de 9 V puede producir chispas visibles gracias a este mecanismo en una habitación a oscuras. El aire ionizado y el vapor metálico (de los contactos) forman plasma , que cierra temporalmente la brecha cada vez mayor. Si la fuente de alimentación y la carga permiten que fluya suficiente corriente, se puede formar un arco autosostenible . Una vez formado, un arco puede extenderse a una longitud significativa antes de romper el circuito. Al intentar abrir un circuito inductivo, a menudo se forma un arco, ya que la inductancia proporciona un pulso de alto voltaje cada vez que se interrumpe la corriente. Los sistemas de CA hacen que la formación de arcos sostenidos sea algo menos probable, ya que la corriente vuelve a cero dos veces por ciclo. El arco se extingue cada vez que la corriente pasa por un cruce por cero y debe volver a encenderse durante el siguiente medio ciclo para mantener el arco.
A diferencia de un conductor óhmico, la resistencia de un arco disminuye a medida que aumenta la corriente. Esto hace que los arcos involuntarios en un aparato eléctrico sean peligrosos, ya que incluso un arco pequeño puede crecer lo suficiente como para dañar el equipo y provocar incendios si hay suficiente corriente disponible. Los arcos producidos intencionalmente, como los utilizados en iluminación o soldadura , requieren algún elemento en el circuito para estabilizar las características de corriente/voltaje del arco.
Las líneas de transmisión y distribución eléctrica de energía eléctrica suelen utilizar voltajes entre decenas y cientos de kilovoltios. Las líneas pueden ser aéreas o subterráneas. El alto voltaje se utiliza en la distribución de energía para reducir las pérdidas óhmicas cuando se transporta electricidad a largas distancias.
Se utiliza en la producción de semiconductores para pulverizar finas capas de películas metálicas sobre la superficie de la oblea . También se utiliza para flocado electrostático para recubrir objetos con pequeñas fibras que se mantienen en el borde.
Las descargas de chispas se utilizaron históricamente como una de las primeras formas de transmisión de radio. De manera similar, se cree que las descargas de rayos en la atmósfera de Júpiter son la fuente de las poderosas emisiones de radiofrecuencia del planeta . [10]
Los altos voltajes se han utilizado en experimentos y descubrimientos históricos de química y física de partículas. Se utilizaron arcos eléctricos para aislar y descubrir el elemento argón del aire atmosférico. Las bobinas de inducción alimentaban los primeros tubos de rayos X. Moseley utilizó un tubo de rayos X para determinar el número atómico de una selección de elementos metálicos mediante el espectro emitido cuando se utilizan como ánodos. El alto voltaje se utiliza para generar haces de electrones para microscopía . Cockcroft y Walton inventaron el multiplicador de voltaje para transmutar átomos de litio en óxido de litio en helio acelerando átomos de hidrógeno.
Los voltajes superiores a 50 V aplicados sobre piel humana seca e intacta pueden causar fibrilación cardíaca si producen corrientes eléctricas en los tejidos del cuerpo que pasan a través del área del pecho . El voltaje al que existe peligro de electrocución depende de la conductividad eléctrica de la piel humana seca. El tejido humano vivo puede protegerse de daños gracias a las características aislantes de la piel seca hasta unos 50 voltios. Si la misma piel se moja, si hay heridas o si se aplica voltaje a electrodos que penetran la piel, incluso las fuentes de voltaje por debajo de 40 V pueden ser letales.
El contacto accidental con cualquier alto voltaje que suministre suficiente energía puede provocar lesiones graves o la muerte. Esto puede ocurrir cuando el cuerpo de una persona proporciona un camino para el flujo de corriente, causando daño tisular e insuficiencia cardíaca. Otras lesiones pueden incluir quemaduras por el arco generado por el contacto accidental. Estas quemaduras pueden ser especialmente peligrosas si las vías respiratorias de la víctima se ven afectadas. También pueden sufrir lesiones como consecuencia de las fuerzas físicas que experimentan las personas que caen desde una gran altura o son lanzadas a una distancia considerable.
La exposición de baja energía a alto voltaje puede ser inofensiva, como la chispa que se produce en un clima seco al tocar el pomo de una puerta después de caminar sobre un suelo alfombrado. El voltaje puede estar en el rango de mil voltios, pero la corriente promedio es baja.
Las precauciones estándar para evitar lesiones incluyen trabajar en condiciones que eviten que la energía eléctrica fluya a través del cuerpo, particularmente a través de la región del corazón, como entre los brazos o entre un brazo y una pierna. La electricidad puede fluir entre dos conductores en equipos de alto voltaje y el cuerpo puede completar el circuito. Para evitar que esto suceda, el trabajador debe usar ropa aislante como guantes de goma, utilizar herramientas aisladas y evitar tocar el equipo con más de una mano a la vez. También puede fluir una corriente eléctrica entre el equipo y la tierra. Para evitarlo, el trabajador debe pararse sobre una superficie aislada, como por ejemplo alfombras de goma. El equipo de seguridad se prueba periódicamente para garantizar que siga protegiendo al usuario. Las regulaciones de prueba varían según el país. Las empresas de pruebas pueden realizar pruebas con hasta 300.000 voltios y ofrecer servicios desde pruebas con guantes hasta pruebas en plataformas de trabajo elevadas (o EWP).
El contacto o la aproximación cercana a los conductores de línea presenta un peligro de electrocución . El contacto con cables aéreos puede provocar lesiones o la muerte. Las escaleras metálicas, los equipos agrícolas, los mástiles de los barcos, la maquinaria de construcción, las antenas aéreas y objetos similares suelen estar implicados en un contacto mortal con los cables aéreos. Las personas no autorizadas que trepan a torres de alta tensión o aparatos eléctricos también son frecuentemente víctimas de electrocución. [11] A voltajes de transmisión muy altos, incluso un acercamiento cercano puede ser peligroso, ya que el alto voltaje puede formar un arco a través de un espacio de aire significativo.
Excavar en un cable enterrado también puede ser peligroso para los trabajadores en un sitio de excavación. Los equipos de excavación (ya sean herramientas manuales o mecánicas) que entren en contacto con un cable enterrado pueden energizar las tuberías o el suelo del área, lo que provocará la electrocución de los trabajadores cercanos. Una falla en una línea de transmisión de alto voltaje o en una subestación puede resultar en altas corrientes que fluyen a lo largo de la superficie de la tierra, produciendo un aumento del potencial de tierra que también presenta un peligro de descarga eléctrica.
Para líneas de transmisión de alto y extra alto voltaje, personal especialmente capacitado utiliza técnicas de " línea viva " para permitir el contacto manual con equipos energizados. En este caso, el trabajador está conectado eléctricamente a la línea de alto voltaje pero completamente aislado de la tierra para que tenga el mismo potencial eléctrico que el de la línea. Dado que la formación para este tipo de operaciones es larga y sigue representando un peligro para el personal, sólo las líneas de transmisión muy importantes están sujetas a mantenimiento en funcionamiento. Fuera de estas situaciones diseñadas adecuadamente, el aislamiento de tierra no garantiza que no fluya corriente a tierra, ya que la conexión a tierra o la formación de arcos a tierra pueden ocurrir de maneras inesperadas, y las corrientes de alta frecuencia pueden quemar incluso a una persona que no esté conectada a tierra. Tocar una antena transmisora es peligroso por este motivo, y una bobina de Tesla de alta frecuencia puede generar una chispa con un solo extremo.
Los equipos de protección en líneas de transmisión de alto voltaje normalmente previenen la formación de un arco no deseado o aseguran que se apague en decenas de milisegundos. Los aparatos eléctricos que interrumpen circuitos de alto voltaje están diseñados para dirigir de manera segura el arco resultante para que se disipe sin dañarlo. Los disyuntores de alto voltaje a menudo utilizan una ráfaga de aire a alta presión, un gas dieléctrico especial (como SF 6 bajo presión) o inmersión en aceite mineral para apagar el arco cuando se rompe el circuito de alto voltaje.
El cableado de equipos como máquinas de rayos X y láseres requiere cuidado. La sección de alto voltaje se mantiene físicamente distante del lado de bajo voltaje para reducir la posibilidad de que se forme un arco entre los dos. Para evitar pérdidas coronales, los conductores se mantienen lo más cortos posible y sin puntas afiladas. Si está aislado, el revestimiento de plástico debe estar libre de burbujas de aire que produzcan descargas coronales dentro de las burbujas.
Un alto voltaje no es necesariamente peligroso si no puede entregar una corriente sustancial . A pesar de que las máquinas electrostáticas como los generadores Van de Graaff y las máquinas Wimshurst producen voltajes cercanos al millón de voltios, producen un breve pinchazo. Esto se debe a que la corriente es baja, es decir, sólo se mueven relativamente pocos electrones. Estos dispositivos tienen una cantidad limitada de energía almacenada, por lo que la corriente promedio producida es baja y generalmente por un corto tiempo, con impulsos que alcanzan un máximo en el rango de 1 A durante un nanosegundo. [12] [13]
La descarga puede implicar un voltaje extremadamente alto durante períodos muy cortos, pero para producir fibrilación cardíaca, una fuente de energía eléctrica debe producir una corriente significativa en el músculo cardíaco que continúa durante muchos milisegundos y debe depositar una energía total en el rango de al menos milijulios o más alto. Por lo tanto, una corriente relativamente alta de más de cincuenta voltios puede ser médicamente significativa y potencialmente fatal.
Durante la descarga, estas máquinas aplican alto voltaje al cuerpo durante sólo una millonésima de segundo o menos. Por lo tanto, se aplica una corriente baja durante un tiempo muy corto y el número de electrones involucrados es muy pequeño.
A pesar de que las bobinas de Tesla parecen superficialmente similares a los generadores de Van de Graaff, no son máquinas electrostáticas y pueden producir importantes corrientes de radiofrecuencia de forma continua. La corriente suministrada a un cuerpo humano será relativamente constante mientras se mantenga el contacto, a diferencia de las máquinas electrostáticas que generalmente tardan más en acumular cargas, y el voltaje será mucho más alto que el voltaje de ruptura de la piel humana. Como consecuencia, la salida de una bobina de Tesla puede ser peligrosa o incluso mortal.
Dependiendo de la posible corriente de cortocircuito disponible en un conjunto de celdas , se presenta un peligro para el personal de mantenimiento y operación debido a la posibilidad de un arco eléctrico de alta intensidad . La temperatura máxima de un arco puede exceder los 10.000 kelvin , y el calor radiante, la expansión del aire caliente y la vaporización explosiva del metal y el material aislante pueden causar lesiones graves a los trabajadores desprotegidos. Estas alineaciones de aparamenta y fuentes de arco de alta energía están comúnmente presentes en subestaciones y estaciones generadoras de servicios públicos de energía eléctrica, plantas industriales y grandes edificios comerciales. En los Estados Unidos, la Asociación Nacional de Protección contra Incendios ha publicado una norma de referencia NFPA 70E para evaluar y calcular el riesgo de arco eléctrico y proporciona normas para la ropa protectora requerida para los trabajadores eléctricos expuestos a tales riesgos en el lugar de trabajo.
Incluso voltajes insuficientes para descomponer el aire pueden suministrar suficiente energía para encender atmósferas que contengan gases o vapores inflamables o polvo en suspensión. Por ejemplo, el gas hidrógeno , el gas natural o la gasolina/ vapores de gasolina mezclados con aire pueden encenderse mediante chispas producidas por aparatos eléctricos. Ejemplos de instalaciones industriales con áreas peligrosas son las refinerías petroquímicas , las plantas químicas , los elevadores de granos y las minas de carbón .
Las medidas tomadas para prevenir tales explosiones incluyen:
En los últimos años, las normas para la protección contra riesgos de explosión se han vuelto más uniformes entre la práctica europea y norteamericana. El sistema de clasificación de "zonas" se utiliza ahora en forma modificada en el Código Eléctrico Nacional de EE. UU . y en el Código Eléctrico Canadiense . Los aparatos de seguridad intrínseca ahora están aprobados para su uso en aplicaciones norteamericanas.
Las descargas eléctricas, incluidas las descargas parciales y la corona , pueden producir pequeñas cantidades de gases tóxicos, que en un espacio confinado pueden suponer un peligro para la salud. Estos gases incluyen oxidantes como el ozono y diversos óxidos de nitrógeno . Se identifican fácilmente por su olor o color característico y, por lo tanto, se puede minimizar el tiempo de contacto. El óxido nítrico es invisible pero tiene un olor dulce. En pocos minutos se oxida a dióxido de nitrógeno , que según la concentración adquiere un color amarillo o marrón rojizo y huele a cloro gaseoso, como el de una piscina. El ozono es invisible pero tiene un olor acre como el del aire después de una tormenta eléctrica. Es una especie de vida corta y la mitad se descompone en O
2en un día a temperaturas normales y presión atmosférica.
Los peligros debidos a los rayos incluyen obviamente un impacto directo sobre personas o propiedades. Sin embargo, los rayos también pueden crear gradientes de voltaje peligrosos en la tierra, así como un pulso electromagnético , y pueden cargar objetos metálicos extendidos, como cables telefónicos , cercas y tuberías, a voltajes peligrosos que pueden transportarse a muchos kilómetros del lugar del impacto. . Aunque muchos de estos objetos normalmente no son conductores, un voltaje muy alto puede provocar la falla eléctrica de dichos aisladores, haciendo que actúen como conductores. Estos potenciales transferidos son peligrosos para las personas, el ganado y los aparatos electrónicos. Los rayos también provocan incendios y explosiones, que provocan muertes, lesiones y daños materiales. Por ejemplo, cada año en América del Norte, la caída de rayos provoca miles de incendios forestales .
Las medidas para controlar los rayos pueden mitigar el peligro; estos incluyen pararrayos , cables de protección y unión de partes eléctricas y estructurales de edificios para formar un recinto continuo.
