La electricidad de alto voltaje se refiere a un potencial eléctrico lo suficientemente grande como para causar lesiones o daños. En ciertas industrias, el alto voltaje se refiere a un voltaje por encima de un umbral determinado. Los equipos y conductores que transportan alto voltaje requieren procedimientos y requisitos 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 otras aplicaciones industriales, militares y científicas.
La definición numérica de alto voltaje depende del contexto. Dos factores que se tienen en cuenta para 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 el 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 los valores nominales de voltaje para sistemas de energía eléctrica de 60 Hz por encima de 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 voltaje ultra alto como 1100 kV. [2] La norma británica BS 7671 :2008 define alto voltaje como cualquier diferencia de voltaje entre conductores que sea mayor a 1000 V CA o 1500 V CC sin ondulación, o cualquier diferencia de voltaje entre un conductor y la Tierra que sea mayor a 600 V CA o 900 V CC sin ondulación. [3]
En algunas jurisdicciones, los electricistas solo pueden tener licencia para determinadas clases de voltaje. [4] Por ejemplo, una licencia eléctrica para un subcontratista especializado, como la instalación de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) , sistemas de alarma contra incendios o sistemas de televisión de circuito cerrado, puede autorizar la instalación de sistemas alimentados hasta 30 voltios entre conductores, y puede que no se le permita trabajar en circuitos de voltaje de red. El público en general puede considerar que los circuitos de red domésticos (de 100 a 250 V CA), que transportan los voltajes más altos que encuentran normalmente, son de alto voltaje .
Voltajes superiores a aproximadamente 50 voltios generalmente pueden provocar 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 dichos circuitos.
En ingeniería automotriz , el alto voltaje se define como un 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, EHV se clasifica como voltajes en el rango de 345,000 a 765,000 V. [6] En sistemas electrónicos, una fuente de alimentación que proporciona más de 275,000 voltios se denomina fuente de alimentación EHV y se usa a menudo en experimentos de física. El voltaje de aceleración para 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 varía de 5 kV a aproximadamente 30 kV.
El carácter de texto Unicode que representa "alto voltaje" es U+26A1, el símbolo "⚡︎" .
Las chispas eléctricas estáticas comunes que se observan en condiciones de baja humedad siempre involucran voltajes muy superiores a los 700 V. Por ejemplo, las chispas en las puertas de los automóviles en invierno pueden involucrar voltajes de hasta 20 000 V. [7]
Los generadores electrostáticos, como los generadores Van de Graaff y las máquinas Wimshurst, pueden producir voltajes cercanos al 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 da como resultado voltajes mayores que la relación de vueltas multiplicada por el voltaje de entrada. Normalmente producen corrientes más altas que las máquinas electrostáticas, pero cada duplicación del voltaje de salida deseado duplica aproximadamente el peso debido a la cantidad de cable necesario 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 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 eléctrica) 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 suficiente energía para encender una bombilla de 100 vatios durante hasta 95 años). Un rayo negativo generalmente dura solo decenas de microsegundos, pero es común que caigan varios. 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 solo 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 500–700 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 entorno de gas noble como argón o neón , las chispas aparecen a voltajes mucho más bajos. 500 a 700 voltios no es un mínimo fijo para producir ruptura por chispa, pero es una regla general. Para el aire a STP, el voltaje mínimo de chispa es de alrededor de 327 voltios, como señaló Friedrich Paschen . [9]
Aunque los voltajes más bajos, en general, no saltan un espacio que está presente antes de que se aplique el voltaje, interrumpir un flujo de corriente existente con un espacio a menudo produce una chispa o arco de bajo voltaje . A medida que se separan los contactos, unos pocos puntos de contacto pequeños se convierten en los últimos en separarse. La corriente se restringe a estos pequeños puntos calientes , lo que hace que se vuelvan incandescentes, de modo que emitan electrones (a través de la emisión termoiónica ). Incluso una pequeña batería de 9 V puede generar chispas notables mediante este mecanismo en una habitación oscura. El aire ionizado y el vapor metálico (de los contactos) forman plasma , que temporalmente cubre el espacio que se ensancha. Si la fuente de alimentación y la carga permiten que fluya suficiente corriente, se puede formar un arco autosostenido . Una vez formado, un arco puede extenderse a una longitud significativa antes de romper el circuito. Intentar abrir un circuito inductivo a menudo 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 semiciclo 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 que se utilizan en la iluminación o la soldadura , requieren algún elemento en el circuito para estabilizar las características de corriente/voltaje del arco.
Las líneas de transmisión y distribución de energía eléctrica suelen utilizar voltajes de 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 al transportar electricidad a larga distancia.
Se utiliza en la producción de semiconductores para pulverizar capas finas de películas metálicas sobre la superficie de las obleas . También se utiliza para el flocado electrostático para recubrir objetos con pequeñas fibras que se colocan de canto.
Los descargadores de chispas se utilizaron históricamente como una forma temprana de transmisión de radio. De manera similar, se cree que las descargas de rayos en la atmósfera de Júpiter son la fuente de las potentes emisiones de radiofrecuencia del planeta . [ 10]
Los altos voltajes se han utilizado en experimentos y descubrimientos de gran importancia en química y física de partículas. Los arcos eléctricos se utilizaron en el aislamiento y descubrimiento del elemento argón del aire atmosférico. Las bobinas de inducción alimentaron los primeros tubos de rayos X. Moseley utilizó un tubo de rayos X para determinar el número atómico de una selección de elementos metálicos por el espectro emitido cuando se usaban 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 la piel humana seca e intacta pueden provocar fibrilación cardíaca si producen corrientes eléctricas en los tejidos corporales que pasan por la zona 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 humedece, si hay heridas o si el voltaje se aplica a electrodos que penetran en la piel, entonces incluso las fuentes de voltaje inferiores a 40 V pueden ser letales.
El contacto accidental con cualquier voltaje alto que suministre suficiente energía puede provocar lesiones graves o la muerte. Esto puede ocurrir porque el cuerpo de una persona proporciona un camino para el flujo de corriente, lo que provoca 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 están afectadas. También pueden sufrir lesiones como resultado de las fuerzas físicas que experimentan las personas que caen desde una gran altura o son arrojadas a una distancia considerable.
La exposición a niveles bajos de energía y 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 piso alfombrado. El voltaje puede estar en el rango de los 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, en particular 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 eso 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. Una corriente eléctrica también puede fluir entre el equipo y la toma de tierra. Para evitarlo, el trabajador debe permanecer de pie sobre una superficie aislada, como una alfombra de goma. El equipo de seguridad se prueba regularmente para garantizar que sigue protegiendo al usuario. Las normas de prueba varían según el país. Las empresas de pruebas pueden realizar pruebas a hasta 300.000 voltios y ofrecen servicios que van desde pruebas con guantes hasta pruebas con plataformas de trabajo elevadas (o EWP).
El contacto con conductores de línea o la proximidad a ellos presenta un peligro de electrocución . El contacto con cables aéreos puede provocar lesiones o la muerte. Las escaleras de metal, los equipos agrícolas, los mástiles de los barcos, la maquinaria de construcción, las antenas aéreas y objetos similares suelen estar involucrados en el contacto fatal con cables aéreos. Las personas no autorizadas que se suben a torres de alta tensión o aparatos eléctricos también suelen ser víctimas de electrocución. [11] Con voltajes de transmisión muy altos, incluso una aproximación cercana puede ser peligrosa, ya que el alto voltaje puede generar un arco a través de un espacio de aire significativo.
Cavar en un cable enterrado también puede ser peligroso para los trabajadores de una excavación. El equipo de excavación (ya sea manual o accionado por máquina) que entra en contacto con un cable enterrado puede energizar las tuberías o el suelo de la zona, lo que puede provocar la electrocución de los trabajadores cercanos. Una falla en una línea de transmisión de alto voltaje o una subestación puede provocar que fluyan altas corrientes a lo largo de la superficie de la tierra, lo que produce un aumento del potencial de tierra que también presenta un peligro de descarga eléctrica.
En el caso de líneas de transmisión de alta y extraalta tensión, el personal especialmente formado utiliza técnicas de " línea activa " para permitir el contacto directo con equipos energizados. En este caso, el trabajador está conectado eléctricamente a la línea de alta tensión , pero completamente aislado de la tierra, de modo que se encuentra al mismo potencial eléctrico que la línea. Como la formación para estas operaciones es larga y sigue presentando un peligro para el personal, solo las líneas de transmisión muy importantes están sujetas a mantenimiento mientras están activas. Fuera de estas situaciones diseñadas adecuadamente, el aislamiento de la tierra no garantiza que no fluya corriente a tierra, ya que la conexión a tierra o la formación de arcos eléctricos a tierra pueden producirse de formas inesperadas y las corrientes de alta frecuencia pueden quemar incluso a una persona que no esté conectada a tierra. Tocar una antena de transmisión es peligroso por este motivo, y una bobina Tesla de alta frecuencia puede mantener una chispa con un solo punto final.
Los equipos de protección de las líneas de transmisión de alta tensión normalmente evitan la formación de un arco no deseado o garantizan su extinción en cuestión de decenas de milisegundos. Los aparatos eléctricos que interrumpen los circuitos de alta tensión están diseñados para dirigir de forma segura el arco resultante de modo que se disipe sin causar daños. Los disyuntores de alta tensión suelen utilizar una ráfaga de aire a alta presión, un gas dieléctrico especial (como el SF6 bajo presión) o inmersión en aceite mineral para extinguir el arco cuando se interrumpe el circuito de alta tensión.
El cableado de equipos como máquinas de rayos X y láseres requiere cuidado. La sección de alta tensión se mantiene físicamente alejada del lado de baja tensión 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 se aísla, el revestimiento 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 de Wimshurst producen voltajes cercanos al millón de voltios, entregan un breve pico. Esto se debe a que la corriente es baja, es decir, solo se mueven unos pocos electrones. Estos dispositivos tienen una cantidad limitada de energía almacenada, por lo que la corriente promedio producida es baja y generalmente durante un corto tiempo, con impulsos que alcanzan un pico en el rango de 1 A durante un nanosegundo. [12] [13]
La descarga puede implicar un voltaje extremadamente alto durante períodos muy breves, pero para producir fibrilación cardíaca, una fuente de energía eléctrica debe producir una corriente significativa en el músculo cardíaco que se prolongue durante muchos milisegundos y debe depositar una energía total en el rango de al menos milijulios o más. 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 un alto voltaje al cuerpo durante sólo una millonésima de segundo o menos, por lo que se aplica una corriente baja durante un tiempo muy breve 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 corrientes de radiofrecuencia significativas 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 fatal.
Dependiendo de la corriente de cortocircuito prospectiva disponible en una línea de tableros de distribución , 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 superar los 10.000 kelvins , y el calor radiante, el aire caliente en expansión y la vaporización explosiva del metal y el material de aislamiento pueden causar lesiones graves a los trabajadores desprotegidos. Tales líneas de tableros de distribución y fuentes de arco de alta energía están presentes comúnmente en subestaciones y estaciones generadoras 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 orientación NFPA 70E para evaluar y calcular el peligro de arco eléctrico , y proporciona normas para la ropa protectora requerida para los trabajadores eléctricos expuestos a tales peligros 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 el vapor de gasolina mezclados con aire pueden encenderse por 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 adoptadas para prevenir tales explosiones incluyen:
En los últimos años, las normas de protección contra peligros de explosión se han vuelto más uniformes entre las prácticas europeas y norteamericanas. El sistema de clasificación por "zonas" se utiliza ahora en forma modificada en el Código Eléctrico Nacional de los 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 las corona , pueden producir pequeñas cantidades de gases tóxicos que, en un espacio confinado, pueden suponer un riesgo para la salud. Estos gases incluyen oxidantes como el ozono y diversos óxidos de nitrógeno . Se identifican fácilmente por su olor o color característicos, por lo que se puede minimizar el tiempo de contacto. El óxido nítrico es invisible pero tiene un olor dulce. Se oxida a dióxido de nitrógeno en unos pocos minutos, que tiene un color amarillo o marrón rojizo según la concentración y huele a gas cloro como una piscina. El ozono es invisible pero tiene un olor penetrante como el del aire después de una tormenta eléctrica. Es una especie de vida corta y la mitad se descompone en O
2dentro de un día a temperaturas y presión atmosférica normales.
Los peligros que suponen los rayos incluyen, obviamente, el impacto directo sobre personas o propiedades. Sin embargo, los rayos también pueden crear gradientes de tensión peligrosos en la tierra, así como un pulso electromagnético , y pueden cargar objetos metálicos extendidos, como cables telefónicos , vallas y tuberías, hasta alcanzar tensiones peligrosas que pueden propagarse a muchos kilómetros del lugar del impacto. Aunque muchos de estos objetos normalmente no son conductores, una tensión muy alta puede provocar la ruptura eléctrica de dichos aislantes, 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 a la propiedad. Por ejemplo, cada año en Norteamérica, miles de incendios forestales son provocados por rayos.
Las medidas para controlar los rayos pueden mitigar el peligro; estas incluyen pararrayos , cables de protección y la unión de partes eléctricas y estructurales de los edificios para formar un recinto continuo.
