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Visión general
Cuando se utilizan sistemas eléctricos deben respetarse unas normas de seguridad adecuadas. Los fallos como el relámpago de arco pueden llegar a ser lo suficientemente peligrosos como para causar graves daños personales y materiales, e incluso la muerte en algunos casos. El relámpago de arco se produce cuando la corriente fluye a través del aire entre conductores de fase, provocando la disipación de una gran cantidad de energía térmica en forma de calor radiante, convectivo y conductivo.
La piel humana es propensa a sufrir quemaduras de segundo grado cuando se expone a energías incidentes superiores a 1,2 cal/cm2. Por eso es esencial realizar estudios de relámpago de arco al diseñar los sistemas de protección y seleccionar los equipos de protección individual (EPI) para salvaguardar al personal que trabaja en equipos eléctricos.
Las distintas normas utilizan métodos diferentes para calcular las energías y corrientes de incidencia del arco eléctrico, y se exigen distintos requisitos de distancia de trabajo.
En este artículo, se explica paso a paso un cálculo completo del arco eléctrico de CA para una instalación industrial.
Método y limitaciones de la norma IEEE 1584
La norma IEEE 1584-2018 [1] proporciona un proceso analítico para calcular la corriente de arco, la energía incidente y el límite de arco eléctrico para el análisis de arco eléctrico. Este método se puede utilizar para las siguientes tensiones del sistema y corrientes de falla apernadas,
Sistemas trifásicos de CA con tensiones de 208 V a 15 kV
Corrientes de defecto empernadas entre 500 A y 106 kA (para tensiones trifásicas de 208 V a 600 V)
Corrientes de defecto empernadas entre 200 A y 65 kA (para tensiones trifásicas de 601 V a 15 kV)
Ejemplo de cálculo de relámpago de arco
Consideremos un sistema de Baja Tensión (BT) que recibe alimentación de un transformador de 11/0,4 kV, 250 kVA en el Cuadro Principal a través de un cable unipolar de Cu de 185 mm2. Está conectada a un cuadro de distribución mediante un cable unipolar de 95 mm2 de cobre. Las cargas 0 y 1, cada una con una intensidad nominal de 45 A, se alimentan desde el cuadro de distribución a través de cables unipolares de Cu de 16 mm2. El nivel de fallo primario es de 15 kA. El sistema se modela en el calculador de redes de BT del software ELEK Cable Pro Web; en la figura 1 se muestra un diagrama unifilar de la red descrita.
Datos necesarios para un estudio de relámpago de arco (IEEE 1584:2018)
Distancia de trabajo
La distancia de trabajo es la distancia mínima entre los equipos eléctricos, los conductores y el personal para garantizar la seguridad. IEEE 1584:2018 [1] recomienda una distancia de trabajo mínima de 304,8 mm (12 pulgadas). Cualquier distancia menor podría situar al trabajador dentro del alcance de la nube de plasma del arco y las gotas de metal.
Si se desconoce la distancia de trabajo, los usuarios pueden consultar las distancias de trabajo típicas para diferentes clases de equipos especificadas en IEEE 1584:2018 [1], como se muestra en la Figura 2. Estas distancias son orientativas y pueden utilizarse distancias de trabajo alternativas en función de la tarea que se esté realizando. Estas distancias son orientativas y pueden utilizarse distancias de trabajo alternativas en función de la tarea que se esté realizando.
Configuración de los electrodos
Otros factores esenciales que tienen en cuenta los cálculos de relámpago de arco de IEEE 1584:2018 [1] son los efectos del electrodo, la configuración del electrodo y las dimensiones del recinto sobre el arco. La construcción de la envolvente puede disminuir o aumentar la gravedad del arco eléctrico hasta cierto punto, y deben tenerse en cuenta valores realistas de energía incidente a la distancia de trabajo al calcular el valor de la energía incidente.
Las diferentes configuraciones de electrodos según IEEE son VCB (Electrodos Verticales, Caja Metálica), VCBB (Electrodos Verticales terminados en una barrera aislante, Caja Metálica), HCB (Electrodos Horizontales, Caja Metálica), VOA (Electrodos Verticales, Aire Libre) y HOA (Electrodos Horizontales, Aire Libre) como se muestra en la Figura 3.
Distancia entre electrodos y dimensiones de la carcasa
La separación entre los electrodos conductores es menor en los equipos de baja tensión y mayor en los equipos de media y alta tensión. En la figura 4 se indican los tamaños típicos de la separación entre electrodos y de la envolvente para el modelo de relámpago de arco IEEE 1584:2018 [1]. Es preferible utilizar las medidas de separación reales de los equipos instalados, que no siempre están disponibles. En ese caso, las mediciones de separación típicas pueden proporcionar valores aproximadamente correctos. Como alternativa, el usuario puede consultar los huecos típicos de la norma NFPA 70E: Standard for Electrical Safety in the Workplace [2], que se muestran en la figura 5.
En este ejemplo, el cuadro de distribución principal tiene una separación entre electrodos de 32 mm, y el cuadro de distribución tiene una separación de 25 mm, según la tabla IEEE 1584. Los tamaños de armario correspondientes, 508 mm x 508 mm x 508 mm y 355,6 mm x 304,8 mm x 203,5 mm, se seleccionan para los cuadros de distribución principal y de distribución, respectivamente.
Tensión de alimentación
La tensión de alimentación es la tensión alterna trifásica en el cuadro de distribución, que en este ejemplo es de 400 V.
Corriente de defecto atornillada
Un estudio o cálculo del nivel de falta puede determinar la corriente de falta atornillada. Los niveles típicos de corriente de falta según IEEE 1584: 2018 [1] son los siguientes:
208 a 600 V: hasta 106 kA
601 a 15 kV: hasta 65 kA
Las corrientes de defecto de cerrojo previstas ya están definidas para cada cuadro de distribución del problema.
Corriente de defecto en el cuadro principal = 7,56 kA
Corriente de defecto en el cuadro de distribución = 5,70 kA
Duración del arco
La duración del arco se obtiene a partir de las características de tiempo-corriente del dispositivo de protección del cuadro de distribución cuando se dispara la corriente de arco. Esto depende del tipo de dispositivo de protección -MCB, MCCB, ACB o fusible- y de la configuración del dispositivo. Por lo tanto, es muy importante disponer de esta información antes de proceder a los cálculos de arco eléctrico. Para cada cuadro de distribución en estudio se utilizan los siguientes dispositivos:
Centralita principal: ACB genérico, 160-400 A, LSI electrónico
Cuadro de distribución: ACB genérico, 100-250 A, LSI electrónico
Si no hay ningún dispositivo de protección presente o el dispositivo de protección no despeja el fallo, se considera una duración máxima del arco de 2 segundos. Esto se basa en la cláusula 6.9.1 de IEEE 1584:2018 [1], que establece que 2 segundos es una suposición justa del tiempo que es probable que una persona se aleje del lugar del arco eléctrico.
Para el ejemplo considerado, el tiempo de despeje de la falta basado en la curva tiempo-corriente para ambos cuadros es de 110 ms. Esto significa que cuando se produce la corriente de defecto prevista para el cuadro principal (7,56 kA) y el cuadro de distribución (5,70 kA), los dispositivos de protección tardarán 110 ms en dispararse y despejar el defecto.
Duración del arco reducida
IEEE 1584:2018 [1] también calcula una corriente de arco y una energía incidente reducidas. Esto se hace para tener en cuenta el efecto de la variación de la corriente de arco en el funcionamiento de los dispositivos de protección. Los dispositivos de protección están configurados para dispararse más rápidamente a medida que aumenta la corriente de defecto. Por el contrario, una corriente de arco más baja tardaría más en disparar el OCPD, con una duración del arco más larga. En consecuencia, la energía incidente (= corriente de arco2 * tiempo) puede ser mayor y más peligrosa para el personal. Por lo tanto, se requeriría un equipo de protección individual (EPI) más estricto.
Los resultados de la energía incidente y del límite de arco eléctrico obtenidos utilizando la corriente de arco y la corriente de arco reducida pueden diferir. La energía incidente final o el límite de arco eléctrico es el mayor de los dos valores calculados.
Resultados del estudio Arc Flash
Resultados de corriente de arco, energía incidente y límite de relámpago de arco
La tabla 1 muestra los resultados del arco eléctrico para los cuadros de distribución y los cuadros principales.
Tabla 1. Resultados de los cálculos de relámpago de arco
| Parámetro | Centralita principal | Cuadro de distribución | Límite del arco eléctrico (mm) |
|---|---|---|
| 451 | 279 | |
| Límite del arco eléctrico (mm) | 490 | 302 |
| Energía incidente (cal/cm2) | 0.743 | 0.544 |
| Energía incidente (cal/cm2) | 0.846 | 0.620 |
| Corriente de arco reducida (kA) | 4.424 | 3.389 |
| Corriente de arco (kA) | 5.071 | 3.885 |
| Requisitos EPI | Categoría 1 | Categoría 1 |
Se calculan la corriente de arco y las corrientes de arco reducidas, así como las energías incidentes correspondientes. La energía incidente es menor en los cuadros de distribución, ya que la corriente de fallo de arco es menor. En consecuencia, el límite de arco eléctrico para los cuadros de distribución también es menor. En este ejemplo, los cuadros de distribución especifican la misma categoría y el mismo valor nominal de arco para los EPI. También es posible que diferentes cuadros de distribución tengan diferentes requisitos de EPI basados en las energías incidentes calculadas.
Equipos de protección individual (EPI)
Los equipos de protección individual (EPI), como camisas, monos, pantallas faciales, gafas de seguridad, etc., resistentes a los arcos eléctricos, protegen al personal expuesto a posibles arcos eléctricos. Los requisitos mínimos de EPI dependen de la energía incidente calculada. Para especificar requisitos de EPI conservadores, IEEE 1584:2018 [1] utiliza las energías de incidencia más altas calculadas para el arco y las corrientes de arco reducidas.
El método IEEE 1584:2018 [1] calcula la energía incidente y determina el límite de arco eléctrico (AFB). El AFB significa la distancia desde la fuente de arco en la que la energía incidente alcanza 5 J/cm2( equivalente a 1,2 cal/cm2). Esta distancia es la distancia mínima de trabajo para los equipos, y representa el espacio entre la fuente de arco y el personal expuesto a ella, que es esencial para evitar lesiones. Esto se basa en el entendimiento de que las energías incidentes que superan los 5 J/cm2 pueden potencialmente causar quemaduras de segundo grado.
Para el problema del ejemplo, las energías incidentes calculadas son:
Centralita principal: 0,846 cal/cm2
Cuadro de distribución: 0,620 cal/cm2
Como fuente de categorías para los EPI se utiliza la Directriz de gestión del riesgo de relámpago de arco eléctrico [3]. Según esta directriz, tanto el cuadro principal como el de distribución entran dentro de la categoría 1 de EPI, que especifica EPI para energías de incidente de hasta 4 cal/cm2.
La categoría 1 requiere el uso de los siguientes EPI:
Camiseta de manga larga Arc
Pantalones o monos ignífugos
Máscara de protección contra arcos con casco
Gafas de seguridad
Protección auditiva
Guantes de cuero y resistentes a la tensión (según sea necesario)
Zapatos de trabajo de cuero
Equipos de protección individual (EPI)
Las etiquetas de advertencia de relámpago de arco también se generan en función de la categoría de EPI a la que pertenezca el equipo. La plantilla depende de la norma de referencia. Para este problema, se utilizará la plantilla Electrical Arc Flash Hazard Management Guideline [3].
Las figuras 7 y 8 muestran las etiquetas de advertencia de relámpago de arco necesarias para los cuadros de distribución y principales, teniendo en cuenta los resultados del cálculo de relámpago de arco.
Recomendaciones
Un estudio de cortocircuito es un prerrequisito para un cálculo de relámpago de arco ya que las corrientes de arco calculadas, y las energías incidentes dependen de la corriente de cortocircuito prospectiva que se produciría en un cuadro de distribución.
También es preferible disponer de los resultados de un estudio de coordinación de protecciones antes de realizar los cálculos de arco eléctrico, ya que los ajustes de los dispositivos de protección determinarán el tiempo de despeje del fallo para cada cuadro de distribución, determinando la duración del arco. Si no se dispone de un estudio de coordinación de protecciones, se puede considerar una duración máxima del arco de 2 segundos basada en IEEE 1584:2018 [1].
La realización de cálculos de relámpago de arco ayudará a determinar las zonas de alto riesgo de relámpago de arco. Los resultados ayudarán a determinar lo siguiente:
Establecer límites de protección (límites de arco eléctrico) donde probablemente se producirían quemaduras de segundo grado.
Identificar las etiquetas de advertencia adecuadas para mitigar los riesgos existentes en los equipos energizados.
Determinar los equipos de protección individual (EPI) adecuados para evitar lesiones.
IEEE 1584:2018 [1] también tiene procedimientos adicionales para calcular las corrientes de arco y las energías incidentes basadas en una duración de arco reducida, debido principalmente a los tiempos de respuesta variables de los dispositivos de protección. Con ello se pretende tener en cuenta que los niveles de falta más elevados disparan los dispositivos más rápidamente y viceversa, lo que podría dar lugar a una energía incidente (I2t) más elevada. Tanto la intensidad como la duración del arco son directamente proporcionales a la energía incidente. Los valores más altos para la energía incidente y el límite de arco eléctrico de la corriente de arco y la corriente de arco reducida se utilizarán como valores finales.
La calculadora de redes de BT de ELEK Cable Pro Web puede realizar cálculos de arco eléctrico para una red modelada. Las corrientes de cortocircuito para cada equipo se calculan automáticamente basándose en el nivel de fallo en la fuente a medida que se propaga aguas abajo. Las duraciones de arco también se basan en los ajustes de protección de los dispositivos de protección pertinentes.
Consejos y sugerencias
Si no se dispone de planos de taller de la aparamenta, la norma IEEE 1584:2018 [1] puede proporcionar valores típicos de distancias de trabajo, separaciones entre electrodos y tamaños de envolventes.
En los casos en que se desconozcan los datos relativos a los ajustes de protección y los tiempos de despeje de averías, se puede considerar para los cálculos una duración del arco conservadora de 2 segundos.
Los cálculos también deben tener en cuenta las duraciones de arco reducidas, que pueden dar lugar a energías incidentes y límites de arco eléctrico más elevados. En ese caso, podría ser necesaria una categoría de EPI y una etiqueta de advertencia superiores. También podría recomendarse un límite de arco eléctrico más elevado.
Referencias
[1] IEEE 1584:2018: Guía IEEE para realizar cálculos de riesgo de arco eléctrico.
[2] NFPA 70E: Norma de seguridad eléctrica en el lugar de trabajo
[3] Directriz de gestión del riesgo de arco eléctrico
[4] Software web ELEK Cable Pro, versión 7.0 (2024).
