- Arc Flash & Electrical Power Training by Jim Phillips
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Este artículo de Jim Phillips ofrece una descripción general de cómo realizar un estudio de arco eléctrico. Se presentó originalmente en la Conferencia NETA de 2010. Asociación Internacional de Pruebas Eléctricas.
Existen muchos códigos, normas y documentos relacionados independientes sobre seguridad eléctrica y arcos eléctricos. Sin embargo, actualmente no existe una guía o práctica recomendada estandarizada que integre todos los componentes en un estudio de cálculo de arcos eléctricos.
La edición 2009 de la Norma NFPA 70E para la seguridad eléctrica en el lugar de trabajo de la Asociación Nacional de Protección contra Incendios, Artículo 130.3, exige que se realice un análisis de riesgo de arco eléctrico para determinar el límite de protección contra arco eléctrico (AFPB) y el equipo de protección personal (PPE) que deben utilizar las personas dentro del AFPB. Un método para determinar el PPE es realizar un análisis de energía incidente que es el núcleo de un estudio de cálculo de arco eléctrico.
Según el artículo 130.3(B)(1) de la norma NFPA 70E, el análisis de energía incidente:
“Deberá determinar, y el empleador deberá documentar, la exposición a la energía incidente del trabajador (en calorías por centímetro cuadrado). El nivel de exposición a la energía incidente se basará en la distancia de trabajo de las áreas de la cara y el pecho del empleado respecto de una posible fuente de arco para la tarea específica que se realizará”.
Una vez que se ha determinado la energía incidente, generalmente a partir de la realización de cálculos detallados, se puede utilizar para seleccionar el nivel adecuado de ropa resistente a las llamas (FR) y el EPP asociado. El concepto básico de la selección del EPP a partir de los resultados de un estudio de cálculo de arco eléctrico es simple. Se selecciona el EPP que tiene un valor de rendimiento térmico del arco (ATPV) mayor que la energía incidente calculada.
El límite de protección contra arcos eléctricos es la distancia desde una fuente de arco potencial donde la energía incidente cae a un valor de 1,2 cal/cm2. Este valor se considera el punto en el que puede producirse una quemadura de segundo grado. Cuando existe peligro de arco eléctrico, las personas que se encuentran más allá del límite de protección contra arcos eléctricos no están obligadas a usar EPP, aunque aún puede existir el riesgo de sufrir alguna lesión.
El método más comúnmente utilizado para calcular la energía incidente y el límite de protección contra arcos eléctricos se basa en la Guía IEEE 1584 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos para Realizar Cálculos de Riesgo de Arco Eléctrico. Las ecuaciones IEEE se derivaron empíricamente de pruebas y son válidas para sistemas que operan desde 208 voltios hasta 15 kV con corrientes de cortocircuito que van desde 700 A hasta 106 kA. Estas ecuaciones se basan en la energía incidente de un arco eléctrico trifásico. Aunque la mayoría de los eventos de arco eléctrico pueden comenzar con el contacto de una fase a tierra, se supone que el plasma conductor que se produce engullirá rápidamente las otras fases y lo intensificará hasta convertirse en un arco eléctrico trifásico más grande.
El primer paso del proceso de estudio es obtener datos que definan las características del sistema eléctrico. Dependiendo del tamaño, la antigüedad y la complejidad del sistema, así como de los datos disponibles de estudios anteriores, este paso podría requerir una cantidad significativa de mano de obra.
Los requisitos de datos se pueden dividir en las siguientes categorías:
Un estudio de arco eléctrico requiere un diagrama unifilar actualizado para documentar y organizar los datos. Si ya existe un diagrama unifilar, se debe verificar y actualizar con los cambios que se hayan producido. Si no existe un diagrama unifilar, será necesario crear uno.
Muchos sistemas de energía tendrán varios modos de funcionamiento que pueden generar diferentes niveles de energía incidente. El diagrama unifilar se puede utilizar para ayudar a definir los diferentes escenarios operativos. Además de la condición de caso base normal, se pueden crear escenarios hipotéticos para determinar si existen condiciones especiales que podrían producir resultados peores que el caso base.
La norma IEEE 1584 proporciona ecuaciones para calcular la corriente de cortocircuito por arco eléctrico basándose en una corriente de cortocircuito conocida obtenida a partir de un estudio de cortocircuito tradicional. Esta corriente de arco eléctrico se utiliza para evaluar la característica de corriente temporal del dispositivo de protección contra sobrecorrientes aguas arriba y obtener el tiempo de despeje que se utiliza en los cálculos de energía incidente. Además, se debe conocer el voltaje del sistema, la longitud del espacio entre el arco eléctrico y si el arco eléctrico se encuentra en una caja o en el aire.
La duración del arco utilizada en los cálculos se basa en el tiempo de despeje de un dispositivo de protección aguas arriba y se determina evaluando las características de la corriente temporal. IEEE 1584a recomienda evaluar dos niveles diferentes de corriente de arco para determinar el tiempo de despeje. El primero utiliza 100% de la corriente de arco estimada, y el segundo utiliza una magnitud basada en 85% de la corriente de arco estimada. Dado que la corriente de arco real puede variar del valor estimado, el uso de 85% de la corriente podría revelar que un dispositivo funciona más lentamente según su curva de corriente temporal y el ajuste de la configuración. Luego, puede comparar la energía incidente basada tanto en 100% como en 85% de la corriente de arco para ver cuál produce la energía incidente en el peor de los casos.
El cálculo de la energía incidente se utiliza para determinar cuánta energía puede llegar a una persona que se encuentra a una distancia específica de la fuente del arco. Según el tipo de equipo, esta “distancia de trabajo”, como se la denomina, se define normalmente como 18, 24 o 36 pulgadas, aunque se pueden utilizar otras distancias. La magnitud de la energía incidente disponible durante un arco eléctrico depende directamente de la corriente de cortocircuito que fluye a través del espacio de aire y del tiempo que tarda un dispositivo de protección aguas arriba en eliminar la falla. En general, cuanto mayor es la corriente de cortocircuito, mayor es la energía incidente, aunque 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 afirmación es cierta. 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 cerrado. 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 caja hacia el trabajador, lo que da como resultado una energía incidente mucho mayor.
Límite de protección contra arco eléctricoSe considera que el límite de protección contra arco eléctrico es la distancia mínima desde una fuente potencial de arco eléctrico donde la energía incidente cae a 1,2 calorías por centímetro cuadrado. 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 un peligro de arco eléctrico. Se han definido varios métodos para calcular el límite de protección contra arco eléctrico. El método IEEE 1584 se basa en tomar una energía incidente conocida a una distancia de trabajo conocida y calcular la distancia requerida donde la energía incidente cae a 1,2 calorías/cm2.
Los resultados de un estudio de cálculo de arco eléctrico normalmente contendrán muchos AFPB diferentes según cada equipo y las características únicas de su ubicación. Con tanta multitud de límites, la implementación de los resultados del estudio puede volverse confusa.
Un enfoque más simple es adoptar un AFPB estandarizado. Esto requiere revisar los diversos resultados de AFPB y adoptar el límite más grande dentro de lo razonable. El término "dentro de lo razonable" se utiliza porque es posible tener un AFPB inusualmente grande que puede no ser realista. Las fórmulas 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 eléctrico 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.
La ropa y los EPP resistentes al arco eléctrico están diseñados para proteger al trabajador contra la exposición a la energía térmica. La capacidad de esta protección se define por el valor de rendimiento térmico del arco (ATPV) y se clasifica en calorías por centímetro cuadrado. Para seleccionar correctamente el equipo de protección, la energía incidente prospectiva que se calcula en cada ubicación se compara con la clasificación ATPV del EPP. El EPP debe tener una clasificación ATPV total mayor o igual a la energía incidente calculada.
Actualmente, solo existen requisitos mínimos en cuanto al contenido y formato de las etiquetas de advertencia de arco eléctrico. Tanto el NEC como la NFPA 70E exigen etiquetas que adviertan sobre el posible peligro de arco eléctrico. La NFPA 70E exige además que en la etiqueta se indique el EPP o la energía incidente calculada. Una etiqueta de arco eléctrico típica generada a partir de los resultados de un estudio de cálculo de arco eléctrico incluye la energía incidente calculada, el límite de protección de arco eléctrico y el EPP, que forman parte del análisis del peligro de arco eléctrico.
La norma NFPA 70E también exige que antes de realizar trabajos en tensión se realice un análisis de riesgo de descarga eléctrica. Aunque técnicamente no forma parte de un estudio de arco eléctrico, se ha convertido en una práctica común incluir también en la etiqueta la información sobre protección contra descargas eléctricas, como voltaje, equipo de protección personal contra descargas eléctricas y límites de aproximación. Con toda esta información incluida y colocada de forma visible en el equipo, los datos requeridos para el análisis de riesgo de arco eléctrico y descarga eléctrica están a la vista para que los utilice la persona calificada.
Una vez que se hayan completado los diversos cálculos de arco eléctrico, se debe desarrollar un informe formal que contenga, como mínimo, una lista de los datos de entrada, 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 incluiría 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.
Tanto OSHA como NFPA 70E recomiendan que la mejor solución sea trabajar únicamente en equipos que estén colocados en condiciones de seguridad eléctrica. 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.
(C) 2010 Jim Phillips/Brainfiller, Inc.
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