Historia de los cálculos de cortocircuito por arco eléctrico: desde los años 80 hasta la actualidad

Una de las principales variables que se utilizan para calcular la energía incidente y los límites de arco eléctrico es la corriente de cortocircuito por arco. La forma de calcular la corriente de arco ha evolucionado desde la década de 1980 hasta la actualidad.

La corriente de arco siempre será menor que la corriente de cortocircuito “atornillada” determinada mediante la realización de un estudio de cortocircuito “tradicional” que se utiliza para evaluar la capacidad de interrupción de los dispositivos de protección. Durante un arco eléctrico, la corriente de cortocircuito fluye a través de un espacio de aire que introduce una impedancia de arco. El resultado es que la corriente de cortocircuito de arco siempre será menor que la corriente de cortocircuito atornillada en la misma ubicación.

¿Por qué sería tan importante una corriente reducida de la impedancia del arco? Parece que una corriente mayor sería peor. Al evaluar las clasificaciones de interrupción, una corriente mayor es el peor caso, pero un estudio de arco eléctrico es diferente.

La energía incidente potencial de un arco eléctrico depende de dos variables principales: la corriente de cortocircuito del arco y la duración del arco, que se define por el tiempo que tarda en funcionar un dispositivo de protección anterior. La corriente de arco más baja puede hacer que el dispositivo de protección tarde más en activarse, lo que da como resultado una mayor duración y una energía incidente mayor (y más peligrosa).

Década de 1980: sin corriente de arco

En la década de 1980, es decir, en los primeros días de los cálculos de arcos eléctricos, las ecuaciones eran teóricas y bastante primitivas para los estándares actuales, ¡pero fue un buen comienzo! Las primeras ecuaciones no tenían en cuenta la corriente de arco y se basaban en la corriente de cortocircuito máxima. Al determinar cuánto tiempo puede tardar en funcionar un dispositivo de protección, se utiliza su característica de corriente de tiempo. Si se utiliza la corriente de cortocircuito máxima, podría indicar que el dispositivo de protección se dispara instantáneamente. Sin embargo, la corriente de arco más baja (y desconocida) podría hacer que el dispositivo tarde más en dispararse, lo que genera una mayor energía incidente.

2000 – Corriente atornillada y 38 por ciento

En el Anexo D.3 de la norma NFPA 70E se enumeran las ecuaciones de un documento técnico publicado en 2000. Estas ecuaciones se basan en pruebas de arco eléctrico reales, lo que supone una mejora significativa con respecto a los métodos teóricos anteriores. Sin embargo, todavía no existían ecuaciones de cortocircuito por arco eléctrico. Como solución alternativa, el método hace referencia a investigaciones anteriores y establece: “Para sistemas de 480 voltios, el nivel mínimo aceptado por la industria para una falla de arco eléctrico sostenida es el 38 por ciento de la falla atornillada disponible”. Eso fue todo: multiplique la corriente de cortocircuito atornillada por el 38 por ciento y determine si la corriente reducida hace que el dispositivo de protección tarde más en funcionar, lo que da como resultado una mayor energía incidente. ¡PROGRESO!

2002 – Corriente de arco y 85 por ciento

Cuando se publicó la primera edición de IEEE 1584 en 2002, una de las mejoras más significativas fue la introducción de ecuaciones de corriente de cortocircuito por arco. Sin embargo, dado que podría haber muchos factores desconocidos que influyeran en la corriente de arco real, se la denominó comúnmente “estimación”. Como estimación, ¿qué sucedería si la corriente de arco real fuera menor? Nuevamente, podría resultar en que el dispositivo de protección tardara más en funcionar y generara una mayor energía incidente.

¿La solución? Añadir un paso adicional en el que la corriente de arco estimada simplemente se multiplicaría por el 85 por ciento y se volvería a evaluar el tiempo de funcionamiento del dispositivo de protección con la corriente ligeramente inferior. Se compararían los casos 100% y 85% y se utilizaría el peor de los casos para el resultado del estudio. El multiplicador 85% se utilizó para todos los cálculos de corriente de arco para sistemas de menos de 1000 voltios.

2018 – Corriente de arco y VarC_F

Basándose en casi 2000 nuevas pruebas de arco eléctrico, la edición 2018 de IEEE 1584 ha realizado mejoras adicionales en los cálculos de corriente de arco para lograr una mayor precisión. Sin embargo, las nuevas ecuaciones son mucho más complejas e incluyen diferentes configuraciones de electrodos, diez coeficientes diferentes y otras variables. El proceso implica varios pasos de cálculo, incluida la determinación de la "corriente de arco promedio intermedia" con ecuaciones basadas en 600, 2700 y 14 300 voltios. El segundo paso es utilizar la corriente intermedia y calcular la corriente de arco final en el voltaje específico del sistema.

De manera similar a la edición de 2002, se calcula una segunda duración del arco utilizando una corriente de arco reducida para determinar si hay un efecto en el tiempo de funcionamiento del dispositivo de protección. A diferencia del valor fijo de 85% utilizado en la edición de 2002, la edición de 2018 ha introducido una nueva ecuación para un factor de corrección de variación de corriente de arco VarC_F que se utiliza para todos los voltajes de 208 a 15.000. El VarC_F Depende en gran medida del voltaje y tiene el mayor impacto en voltajes entre 208 y 600 voltios.

La evolución continúa

Han sido necesarias varias décadas, cientos de personas, decenas de miles de horas de trabajo y millones de dólares en investigación para que nuestra comprensión de los arcos eléctricos y los cálculos relacionados llegue a este nivel. Algunos dicen que el costo y el tiempo son demasiados. Los trabajadores eléctricos que han sobrevivido a un arco eléctrico con lesiones mínimas o nulas gracias a este esfuerzo saben que vale la pena.

Basado en mi artículo publicado en la revista Electrical Contractor – marzo de 2019