Lo que comenzó como un goteo lento hace una década se ha convertido en algo más parecido a un maremoto. No me refiero a un grifo que gotea o a una presa que falla; me refiero a los estudios de arco eléctrico. Hace años, solo unas pocas empresas, en su mayoría grandes, realizaban estos estudios complejos. Luego, poco a poco, el "goteo" de estudios se convirtió en un flujo constante y, hoy en día, el estudio de arco eléctrico se ha convertido en una parte integral de muchos programas de seguridad eléctrica.

Hace diez años se presentó por primera vez la norma IEEE 1584, conocida como “Guía IEEE para realizar cálculos de riesgo de arco eléctrico”. Este documento histórico define ecuaciones y métodos que se han convertido en componentes clave del estudio del arco eléctrico.

Aunque el “goteo” puede haber comenzado en los Estados Unidos, el “maremoto” ya se ha extendido por todo el mundo y los estudios sobre arcos eléctricos se están volviendo más comunes también en otros países.

¿Qué es un estudio de arco eléctrico?

Cuando intenta por primera vez realizar un estudio de arco eléctrico, puede resultar bastante intimidante. Incluso con la ayuda de programas informáticos disponibles comercialmente, saber qué datos utilizar, cómo modelar el sistema y cómo interpretar los resultados puede dejarlo perplejo.

El concepto del estudio es bastante simple. En cada equipo eléctrico que forma parte del estudio, se realizan cálculos para determinar la energía incidente potencial que podría estar disponible para un trabajador durante un arco eléctrico. La magnitud de la energía incidente, expresada en calorías por centímetro cuadrado (cal/cm2), se utiliza para definir la gravedad del arco eléctrico, así como para determinar qué ropa protectora y equipo de protección personal (EPP) utilizar.

Además de los cálculos de energía incidente, también se debe determinar una distancia conocida como límite de arco eléctrico (AFB, por sus siglas en inglés). El AFB define la distancia desde una posible fuente de arco donde la energía incidente cae a 1,2 cal/cm^2. Este nivel de energía incidente puede producir el inicio de una quemadura de segundo grado, que también se denomina “quemadura apenas curable” y es el umbral en el que se requiere protección. La norma NFPA 70E exige el uso de ropa protectora y EPP con la clasificación adecuada cuando las personas trabajan dentro de este límite y existe un peligro de arco eléctrico.

Guía IEEE 1584 para realizar cálculos de riesgo de arco eléctrico

La norma IEEE 1584 es el método más utilizado para realizar un estudio de arco eléctrico. Esta norma proporciona ecuaciones para calcular la energía incidente y el límite del arco eléctrico. Las ecuaciones IEEE se derivaron empíricamente de cientos de pruebas de arco eléctrico y son válidas para sistemas que funcionan desde 208 voltios hasta 15 kV con corrientes de cortocircuito que van desde 700 amperios hasta 106.000 amperios.

Aunque muchos eventos de arco eléctrico comienzan con el contacto de una sola fase con tierra o de una fase con otra fase, es posible que el plasma conductor que se desarrolla a partir del arco pueda rápidamente envolver las otras fases y convertirse en un arco eléctrico trifásico más grande. Como resultado, para ser conservadores, las ecuaciones del IEEE suponen que el arco eléctrico involucra las tres fases.

¿Por qué necesito un estudio de arco eléctrico?

Aunque el estudio de cálculo del riesgo de arco eléctrico puede parecer abrumador, se puede gestionar más fácilmente si se divide todo el proceso en pasos más pequeños y sencillos. Intentar analizar todo el proceso de estudio de una sola vez, especialmente si es la primera vez que lo hace, puede provocar una sensación de pánico. ¡Tómelo paso a paso!

Paso uno: recopilación de datos

Para modelar con precisión el sistema eléctrico en estudio, se requiere una cantidad significativa de datos para el estudio del arco eléctrico. Según el tamaño, la antigüedad y la complejidad del sistema, así como los datos disponibles de estudios y documentos anteriores, este esfuerzo podría requerir una cantidad significativa de mano de obra.

Los requisitos de datos suelen incluir información sobre la corriente de cortocircuito disponible de la empresa de servicios públicos, así como sobre sus dispositivos de protección. También se requieren datos de impedancia de componentes como conductores y transformadores, así como de otras fuentes de corriente de cortocircuito como motores y generadores. Los datos de los dispositivos de protección, el tipo de equipo (si se trata de un panel, un cuadro de distribución o un tablero de distribución), así como otra información como las distancias de trabajo y las distancias de separación, le darán una idea de cuánto esfuerzo será necesario.

Paso dos: diagrama unifilar y modelado del sistema

También es necesario un diagrama unifilar actualizado para documentar y organizar los datos para el estudio de arco eléctrico. Si ya existe un diagrama unifilar, se debe verificar y actualizar con los cambios que se hayan producido con el tiempo. Si aún no existe un diagrama unifilar, será necesario crear uno.

Muchos sistemas de energía pueden funcionar con distintas configuraciones, como con un enlace de barras abierto o cerrado, o con condiciones de fuente normales o con un generador de emergencia. Esto puede generar un nivel diferente de energía incidente según cómo esté configurado el sistema en ese momento. El diagrama unifilar se puede utilizar para ayudar a definir diferentes escenarios operativos, como se muestra en la figura 1. Además de la configuración normal, también pueden ser necesarios escenarios hipotéticos para determinar si alguna de las configuraciones alternativas podría producir resultados peores que el caso base.

Paso tres: corriente de cortocircuito por arco eléctrico

La norma IEEE 1584 proporciona ecuaciones para calcular la corriente de cortocircuito de “arco” basándose en el uso de una corriente de cortocircuito “atornillada” conocida obtenida a partir de un estudio de cortocircuito tradicional. La condición “atornillada” significa que no hay ninguna impedancia adicional en el punto de la falla. Actúa como si hubiera una conexión atornillada o soldada. La corriente de “arco” se produce cuando la corriente de cortocircuito salta a través de un espacio de aire, normalmente creado a partir de un conductor u objeto conductor que se funde o se expulsa. La impedancia adicional del espacio de aire significa que la corriente de cortocircuito de “arco” siempre será menor que el valor “atornillado”.

Paso cuatro: duración del arco eléctrico

La energía incidente no depende únicamente de la corriente de cortocircuito del arco, sino que también depende directamente de la duración del arco eléctrico. Cuanto más dure el arco eléctrico, mayor será la exposición total a la energía incidente. Normalmente, la duración se define por el tiempo que tarda en funcionar un dispositivo de protección situado aguas arriba del arco eléctrico. Para esta evaluación, se utilizan curvas de tiempo-corriente como las que se ilustran en la figura 2. La corriente de cortocircuito del arco eléctrica calculada se encuentra en el eje horizontal del gráfico. Si se traza una línea vertical, el punto en el que el valor de la corriente se cruza con la curva de tiempo-corriente del dispositivo de protección define la duración en segundos.

Paso cinco: energía incidente

Los cálculos de energía incidente se utilizan para determinar cuánta energía puede llegar a una persona ubicada a una distancia específica, conocida como la “distancia de trabajo”, de la fuente del arco. La distancia de trabajo específica utilizada depende del tipo de equipo y generalmente se define como 18, 24 o 36 pulgadas, aunque también se pueden utilizar otras distancias.

La energía incidente total disponible durante un arco eléctrico es una función directa de la corriente de cortocircuito que fluye a través del entrehierro y del tiempo que tarda un dispositivo de protección anterior en eliminar la falla. En general, cuanto mayor es la corriente de cortocircuito, mayor es la energía incidente. Sin embargo, este no siempre es el caso.

Es una creencia común que cuanto mayor sea la corriente de cortocircuito disponible en un lugar determinado, más daños pueden producirse. Cuando se trata de evaluar la capacidad de interrupción y resistencia de un dispositivo de protección, esta es una afirmación correcta. Sin embargo, en el caso de un arco eléctrico, es muy posible que una corriente de cortocircuito más baja pueda hacer que el dispositivo de protección aguas arriba tarde más en funcionar y, de hecho, aumente la exposición total a la energía incidente.

La energía incidente también depende de si el arco eléctrico se produce al aire libre o en un entorno tipo caja, como un recinto de equipo. Cuando un arco eléctrico se produce al aire libre, la energía puede irradiarse esféricamente en todas las direcciones y se concentra menos energía incidente hacia el trabajador. Sin embargo, cuando un arco eléctrico se produce en una caja, la energía se concentra fuera de la abertura hacia el trabajador, lo que da como resultado una energía incidente mucho mayor.

Paso seis: límite del arco eléctrico

Se considera que el límite de arco eléctrico es la distancia mínima desde una fuente potencial de arco eléctrico donde la energía incidente cae a 1,2 cal/cm^2. Dado que este nivel de energía es el umbral de una quemadura de segundo grado, es la distancia mínima a la que deben estar las personas que no usan el EPP adecuado cuando existe peligro de arco eléctrico.

Los resultados de un estudio de cálculo de arco eléctrico suelen arrojar muchos límites de arco diferentes. Esto se basa en la ubicación y las características únicas de cada equipo, como se ilustra en los resultados que se muestran en la figura 3. Con tantos límites diferentes, existe el potencial de causar confusión.

Aunque a menudo se utilizan los valores calculados individualmente, un enfoque más simple para reducir la confusión es adoptar un límite de arco eléctrico más estandarizado. Esto requiere revisar los diversos resultados de AFB y adoptar el límite más grande dentro de lo razonable. La revisión de los resultados del AFHCS que se muestran en la figura 3 indica que el límite de arco eléctrico más grande es de 6,65 pies en el tablero de distribución principal. Redondear este valor a 7 u 8 pies podría proporcionar la base para un límite estandarizado que se puede utilizar en todas las ubicaciones. Recuerde que el límite de arco eléctrico no afecta directamente a la persona que realiza el trabajo. Solo afecta a la persona que no está realizando el trabajo, es decir, define qué tan lejos debe estar de la fuente potencial de arco eléctrico.

El término “dentro de lo razonable” se utiliza porque es posible tener un AFB inusualmente grande que puede no ser realista. Las ecuaciones IEEE 1584 existentes utilizan el tiempo de despeje de un dispositivo de protección como una de las muchas variables de entrada. Si la corriente de cortocircuito del arco es baja, la característica de corriente temporal de un dispositivo de protección puede indicar un tiempo de despeje inusualmente largo, tal vez decenas de segundos, lo que da como resultado un cálculo de AFB inusualmente grande.

Paso siete: selección del EPP

La ropa y los equipos de protección personal con clasificación de protección contra arcos eléctricos (AR) están diseñados para proteger al trabajador contra la exposición a la energía térmica de un arco eléctrico. Para seleccionar correctamente la ropa y el equipo de protección, la clasificación de protección contra arcos eléctricos debe ser suficiente para la energía incidente calculada.

De manera similar a la situación en la que un estudio tiene muchos límites de arco eléctrico diferentes, cada equipo tendrá su propia energía incidente calculada. El enfoque más simple para seleccionar la ropa y el equipo de protección es determinar el valor de energía incidente más alto dentro de lo razonable y seleccionar una clasificación de arco estándar en función de este valor. Para los resultados del estudio de la figura 3, 12 cal/cm2 serían suficientes en función del valor de energía incidente más alto de 10,6 cal/cm2 en el Panel 1A. A veces, puede haber algunas ubicaciones donde la energía incidente sea mayor que la clasificación de arco que se seleccionó. En esos casos, puede ser necesaria una protección con una clasificación de arco más alta.

Paso ocho: etiquetas de advertencia de arco eléctrico

Actualmente, solo existen requisitos mínimos en cuanto al contenido y formato de las etiquetas de advertencia de arco eléctrico. La norma ANSI Z535 proporciona orientación sobre palabras de señalización como Precaución, Advertencia y Peligro, así como los colores adecuados que se deben utilizar. El Código Eléctrico Nacional y la norma NFPA 70E exigen el uso de etiquetas para advertir sobre el posible peligro de arco eléctrico. La edición 2012 de la norma NFPA 70E va más allá y exige que se incluya información específica en la etiqueta. Según la norma NFPA 70E 130.5(C), la etiqueta debe contener al menos uno de los siguientes elementos:

• Energía incidente disponible y distancia de trabajo correspondiente
• Clasificación mínima del arco de la ropa
• Nivel requerido de EPI
• Categoría de riesgo/peligro más alta (HRC) para el equipo

Además, la tensión nominal del sistema y el límite de arco eléctrico también deben figurar en la etiqueta. Esta información es fundamental para que la persona calificada que realiza el trabajo pueda abordar los peligros de manera adecuada. La edición anterior de 2009 de la norma NFPA 70E tenía menos requisitos para las etiquetas de arco eléctrico, por lo que la nueva edición de 2012 permite una excepción para las etiquetas creadas antes del 30 de septiembre de 2011, siempre que incluyan la energía incidente disponible o el nivel de EPP.

Han surgido muchos formatos de etiquetas diferentes, algunos de los cuales prefieren utilizar solo la información mínima requerida, mientras que otros prefieren incluir datos adicionales. Aunque no se exige oficialmente, la información adicional puede incluir elementos como el límite de aproximación limitado y el límite de aproximación restringido que se encuentran en la norma NFPA 70E, así como otra información ilustrada en la figura 4.

Paso nueve: Informe y recomendaciones para reducir la energía incidente

Una vez completados los cálculos del riesgo de arco eléctrico, se realiza un análisis formal Se debe elaborar un informe que documente, como mínimo, los datos utilizados, los supuestos del estudio, los resultados de los cálculos, las recomendaciones de EPP, un dibujo de una sola línea, una descripción del procedimiento del estudio, así como recomendaciones sobre cómo reducir aún más la exposición a la energía incidente.

Las soluciones recomendadas para reducir la energía incidente se pueden dividir en dos categorías según el costo y la facilidad de implementación. La primera categoría podría incluir soluciones de bajo costo o sin costo, como cambiar la configuración de los dispositivos de sobrecorriente. La segunda categoría podría incluir cambios que requieran cierto nivel de gasto en orden de prioridad según sus costos y beneficios.

Seguridad eléctrica: el mejor paso

Por más complejo que pueda ser un estudio de arco eléctrico, dividirlo en pasos más pequeños puede ser de gran ayuda para que sea más manejable. Sin embargo, la mejor medida que se puede tomar para proteger al trabajador contra los peligros eléctricos es permitir que trabaje únicamente en equipos que estén colocados en condiciones eléctricamente seguras. Esto significa que se los ha desenergizado, bloqueado, probado para detectar la ausencia de voltaje y se han instalado conexiones a tierra de seguridad si es necesario. Solo entonces es verdaderamente seguro trabajar en el sistema.

Por Jim Phillips | Brainfiller, Inc. | Foro ArcFlash.com
Marzo de 2012

Acerca de Jim Phillips: Programas de capacitación sobre energía eléctrica y arco eléctrico: durante más de 30 años, Jim Phillips ha ayudado a decenas de miles de personas en todo el mundo a comprender el diseño, el análisis, el arco eléctrico y la seguridad eléctrica de los sistemas de energía eléctrica.

Jim es vicepresidente de IEEE 1584, presidente internacional de IEC TC78 Live Working y miembro del comité directivo del proyecto de investigación colaborativa sobre arcos eléctricos IEEE/NFPA. Se ha ganado la reputación de ser uno de los mejores formadores en la industria de la energía eléctrica.  Más información

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