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¿Qué es un estudio de arco eléctrico, también conocido como evaluación de arco eléctrico? Realizar un análisis de arco eléctrico puede ser bastante complejo, pero la última edición de IEEE 1584 – Guía IEEE para realizar cálculos de riesgo de arco eléctrico lo ha llevado a un nivel completamente nuevo. En este primero de una serie de artículos, lo guiaré a través de los pasos para realizar un estudio de arco eléctrico según este estándar de arco eléctrico.
Mucho ha cambiado desde que los estudios sobre arcos eléctricos se generalizaron a principios de los años 2000. Normas como NFPA 70E – Norma para la seguridad eléctrica en el lugar de trabajo y la última edición de IEEE 1584 siguen evolucionando y mejorando. Normas como estas, junto con avances en ropa y equipo de protección personal (EPP) con clasificación de arco, así como cambios en las prácticas de diseño eléctrico, han ayudado a crear un lugar de trabajo mucho más seguro.
Los componentes principales de un análisis de riesgo de arco eléctrico son los cálculos de la corriente de falla del arco, la energía incidente y el límite del arco eléctrico. Los resultados finales del estudio se utilizan para seleccionar el EPP y la ropa con clasificación de arco con una clasificación de arco suficiente y establecer lo que se conoce como límite de arco eléctrico. Esta información también desempeña un papel importante para las etiquetas de arco eléctrico (equipo) y los permisos de trabajo eléctrico energizado.
Figura 1 Le da una idea de lo que puede salir mal y por qué es tan importante un estudio de arco eléctrico y un equipo de protección personal adecuado para arcos eléctricos. Aunque la máxima prioridad es establecer una condición de trabajo eléctricamente segura para que este tipo de incidentes no ocurran en primer lugar.
Una de las preguntas más frecuentes al comenzar un estudio de arco eléctrico es ¿Qué código o norma exige el estudio del arco eléctrico? NFPA 70E 130.5 Evaluación de riesgo de arco eléctrico requiere que el EPP contra arco eléctrico se seleccione utilizando el método de categoría de EPP contra arco eléctrico o realizando un análisis de energía incidente.
El método de clasificación de EPP se basa en tablas de la norma NFPA 70E que asignan categorías de EPP en función del tipo de equipo y parámetros específicos. El método de análisis de energía incidente requiere calcular la energía incidente prospectiva que podría resultar de un arco eléctrico. La clasificación de arco del EPP se selecciona de acuerdo con este valor. La norma NFPA 70E no exige un método de cálculo específico para el análisis de energía incidente. Sin embargo, a nivel mundial la mayoría utiliza la norma IEEE 1584.
La energía incidente se define tanto en NFPA 70E como en IEEE 1584 como: La cantidad de energía térmica impresa en una superficie, a cierta distancia de la fuente, generada durante un evento de arco eléctrico. En otras palabras, define la gravedad de un arco eléctrico y se cuantifica en calorías/centímetro.2 (calorías/cm2)
Aunque los cálculos de la IEEE 1584 se conocen como análisis de energía incidente, este es solo un componente de lo que la mayoría considera un estudio de arco eléctrico. Los componentes adicionales pueden incluir la definición de métodos de control de riesgos para el arco eléctrico, etiquetas de arco eléctrico (equipo) y una evaluación del riesgo de descarga eléctrica. Estos temas se tratarán más adelante en futuras partes de esta serie.
Los resultados de un estudio de cortocircuito y coordinación también son necesarios para determinar la corriente de falla disponible en la ubicación del equipo y la duración del arco en función del tiempo que tarda un dispositivo de protección específico aguas arriba en funcionar y eliminar la falla durante un arco eléctrico. Esta información se puede obtener de estudios anteriores siempre que se haya verificado que los resultados son correctos. Si no existen estudios existentes o no se puede verificar la precisión, es posible que sea necesario realizar estudios nuevos o revisados. Se deben utilizar normas pertinentes, como las normas IEEE, para estos estudios adicionales.
Antes de continuar, es necesario abordar dos cuestiones. En primer lugar, la persona que realiza el estudio debe estar cualificada para ello. En esta era en la que “hay una aplicación para eso”, pueden producirse errores con resultados potencialmente catastróficos. La norma IEEE 1584 define a una persona cualificada como:
Una persona que realiza cálculos de riesgo de arco eléctrico utilizando habilidades y conocimientos relacionados con la construcción y operación de equipos e instalaciones eléctricas y tiene experiencia en estudios de sistemas de energía y análisis de riesgo de arco eléctrico.
Tenga en cuenta la definición IEEE 1584 de calificado persona que se dirige a la persona que realiza el estudio NO es la misma que la definición de NFPA de calificado obrero que se dirige al trabajador electricista.
En segundo lugar, aunque estoy muy involucrado con muchas de las normas utilizadas para un estudio de arco eléctrico, las opiniones aquí expresadas son mías y pueden o no reflejar las de alguna organización de normalización en particular.
Ejemplo de estudio de arco eléctrico: tablero de distribución de 480 voltios
Para ilustrar los pasos para realizar un estudio de arco eléctrico, se seleccionó como ejemplo un tablero de distribución trifásico de 480 voltios. Se requiere una gran cantidad de datos que se analizarán paso a paso. También se recomienda al lector obtener una copia de la edición 2018 de IEEE 1584 para obtener las ecuaciones y los detalles completos.
Bosque, árboles y datos
El viejo dicho “No se puede ver el bosque por los árboles” es apropiado para el estudio de arco eléctrico. Simplemente significa que no hay que obsesionarse tanto con los pequeños detalles que no se pueda dar un paso atrás y ver el panorama general. Al igual que perderse en el bosque, es fácil perderse en los detalles del estudio. Sin embargo, hay un concepto simple en mente. El objetivo principal de un estudio de arco eléctrico es seleccionar EPP con clasificación de arco que sea suficiente para la energía incidente calculada.
Esto significa que si una suposición da como resultado una energía incidente calculada de 4,2 cal/cm2 y otro es de 4,6 cal/cm2 y otro es de 5,2 cal/cm2, si se utiliza EPI similar al de Figura 2 Se selecciona con una clasificación de arco mínima de 8 cal/cm2Se considera suficiente independientemente de cuál de los tres valores de energía incidente se utilice. El efecto sobre el límite del arco eléctrico se considerará más adelante.
Para ilustrar el concepto anterior, me gusta utilizar la analogía de un estudio de cortocircuito. Supongamos que vamos a evaluar la idoneidad de un panel que tiene una capacidad de interrupción de cortocircuito de 22 kA. Al realizar un estudio de cortocircuito, el uso de diferentes suposiciones en el estudio podría dar como resultado diferentes corrientes de cortocircuito calculadas, como 12,5, 13,5 y 14,1 kA. Pero al final, el panel de 22 kA es adecuado para los tres valores. Esta afirmación no pretende restar importancia a la utilización de datos exactos, ya que la precisión es fundamental. Solo asegúrese de seguir viendo el panorama general.
Los requisitos de datos para un estudio de arco eléctrico se pueden dividir en tres categorías que incluyen: datos de impedancia para un estudio de cortocircuito, datos del dispositivo de protección para definir la duración del arco y datos del equipo Se utiliza para definir el tamaño del gabinete, el espacio entre barras y la configuración de los electrodos. Según la antigüedad del sistema y la documentación existente, la recopilación de datos podría representar una parte importante del esfuerzo general del estudio. A menudo, no todos los datos están disponibles y pueden ser necesarias suposiciones conservadoras (y documentadas).
El primer paso para realizar un estudio de arco eléctrico es crear un modelo informático del sistema eléctrico en estudio. Los programas informáticos disponibles en el mercado pueden simplificar el proceso con sus amplias bibliotecas, ya que permiten crear un diagrama unifilar e ingresar los datos necesarios.
Tenga cuidado de no caer víctima de lo que yo llamo “parálisis de datos”. Esto es cuando todos los datos no están disponibles de inmediato, lo que hace que el esfuerzo del estudio se estanque. Un truco es cuando los datos aún no están disponibles, sustituirlos por datos muy inusuales que sobresalgan como un contenedor de espacio. De esa manera, se puede completar un modelo preliminar. Por ejemplo, si se desconocen las longitudes de los conductores, utilice temporalmente longitudes de conductores de 3 pies. Esto permite desarrollar un modelo funcional antes de que el estudio se estanque. Una vez que se obtienen los datos finales, se pueden reemplazar los números inusuales.
Una vez creado el modelo, el primer paso del cálculo consiste en determinar la corriente de falla trifásica disponible en cada ubicación. Esta es una de las principales variables que se utilizan para determinar la energía incidente. A menudo me refiero a la corriente de falla como la que define la intensidad o explosividad del arco eléctrico. Una corriente mayor da como resultado un arco eléctrico más potente. Sin embargo, no siempre se traduce en la mayor energía incidente, como veremos en partes posteriores de este artículo.
Para nuestro ejemplo, los resultados de un estudio de corriente de falla independiente indican que la corriente de falla trifásica es de 28 500 amperios en el panel que se muestra en Figura 3Este será el punto de partida de nuestro ejemplo.
Se utiliza un estudio de corriente de falla tradicional del Paso Dos para determinar la corriente de falla “atornillada” que normalmente se utiliza para evaluar la capacidad de interrupción de los dispositivos de protección. El término “atornillada” significa que el cortocircuito es una conexión sólida sin impedancia adicional en la falla.
Sin embargo, durante un arco eléctrico, los conductores o el objeto conductor que inicia la falla se derriten o retroceden, creando un espacio en el camino de la corriente. Figura 4 muestra un ejemplo de lo que sucede durante una prueba de arco eléctrico que realicé hace varios años. La corriente de falla fluye a través del espacio ionizando el aire y creando un plasma. Conocida como corriente de falla de arco, las ecuaciones IEEE 1584 requieren muchas variables de entrada para este cálculo, como: corriente de cortocircuito trifásica atornillada, espacio entre barras, configuración de electrodos y voltaje.
En la norma IEEE 1584 se incluye una tabla de espacios entre barras “típicos”. En baja tensión, los espacios típicos son de 25 mm para equipos de distribución, como tableros de distribución, cuadros de distribución y centros de control de motores, y de 32 mm para equipos de distribución de baja tensión. Como este ejemplo de estudio de arco eléctrico es un tablero de distribución, se seleccionaron 25 mm. El usuario puede utilizar sus propios espacios entre barras definidos, sin embargo, debe tenerse en cuenta que los espacios pueden variar dentro de este mismo equipo y con diferentes equipos.
En la siguiente parte de esta serie, se analizarán los resultados utilizando diferentes configuraciones de electrodos, duración del arco y tamaños de gabinete. Este artículo se basa en la serie publicada originalmente en la edición de septiembre de 2021 de la revista Electrical Contractor.
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