Arco Electrico

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN

DEDICATORIA El presente tema de investigación está dedicado con mucho cariño a mis padres quienes me brindan su apoyo, incentivación a lo largo de mi formación académica que necesito para trabajar día con día, ya que son los testigos del del trabajo perseverante para lograr un nuevo éxito en mi vida profesional.

INGENIERÍA ELÉCTRICA - UNSA

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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN Contenido INTRODUCCIÓN........................................................................................................................ 4 ¿QUÉ ES UN ARCO ELÉCTRICO?............................................................................................... 5 DEFINICION.................................................... .......................................................................................................... .......................................................................... .................... 7 CARACTERISTICAS DE UN ARCO ELECTRICO .............................................. ......................................................................... ........................... 10 CONSECUENCIAS DE LA EXPOSICION A UN ARCO ELÉCTRICO ................................................ 11 CAUSAS DEL ARCO ELÉCTRICO ............................................................................................. 13 RIESGOS POR ARCO ELECTRICO ........................................................................................... 14 LESIONES POR ARCO ELECTRICO ...................................................... .......................................................................................... .................................... 15

................................................................................... ......... 17 PROBABILIDAD DE SOBREVIVIR ............................................................................................. EL ARCO ELECTRICO EN INSTALACIONES ................................................... .............................................................................. ........................... 18

ENERGIA LIBERADA POR UN ARCO ELÉCTRICO ...................................................... ........................................................ 19 ENSAYOS DE ARCO ELÉCTRICO DE INDUMENTARIA DE PROTECCION ................ 19 ENSAYOS DE ARCO ELÉCTRICO EN EL LABORATORIO DE POTENCIA .................. ........ .......... 21 EXTINSION DEL ARCO .......................................................................................... .................. 30

ELEMENTOS PARA LA EXTINCIÓN DEL ARCO................................................... ........................................................... ........ 31 CRITERIOS METODOLOGICOS PARA LA EVALUACION DEL RIESGO ........................................ 37 DIFERENCIAS ENTRE FALLAS FRANCAS Y FALLAS POR ARCO ELÉCTRICO ............................. 39 COMPONENTES PROPUESTOS PARA LA ELABORACION DE UN PROGRAMA DE PREVENCION DE RIESGO POR ARCO ELECTRICO.................................................... ........................................................................................ .................................... 41 CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 43

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BIBLIOGRAFIA


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN Contenido INTRODUCCIÓN........................................................................................................................ 4 ¿QUÉ ES UN ARCO ELÉCTRICO?............................................................................................... 5 DEFINICION.................................................... .......................................................................................................... .......................................................................... .................... 7 CARACTERISTICAS DE UN ARCO ELECTRICO .............................................. ......................................................................... ........................... 10 CONSECUENCIAS DE LA EXPOSICION A UN ARCO ELÉCTRICO ................................................ 11 CAUSAS DEL ARCO ELÉCTRICO ............................................................................................. 13 RIESGOS POR ARCO ELECTRICO ........................................................................................... 14 LESIONES POR ARCO ELECTRICO ...................................................... .......................................................................................... .................................... 15

................................................................................... ......... 17 PROBABILIDAD DE SOBREVIVIR ............................................................................................. EL ARCO ELECTRICO EN INSTALACIONES ................................................... .............................................................................. ........................... 18

ENERGIA LIBERADA POR UN ARCO ELÉCTRICO ...................................................... ........................................................ 19 ENSAYOS DE ARCO ELÉCTRICO DE INDUMENTARIA DE PROTECCION ................ 19 ENSAYOS DE ARCO ELÉCTRICO EN EL LABORATORIO DE POTENCIA .................. ........ .......... 21 EXTINSION DEL ARCO .......................................................................................... .................. 30

ELEMENTOS PARA LA EXTINCIÓN DEL ARCO................................................... ........................................................... ........ 31 CRITERIOS METODOLOGICOS PARA LA EVALUACION DEL RIESGO ........................................ 37 DIFERENCIAS ENTRE FALLAS FRANCAS Y FALLAS POR ARCO ELÉCTRICO ............................. 39 COMPONENTES PROPUESTOS PARA LA ELABORACION DE UN PROGRAMA DE PREVENCION DE RIESGO POR ARCO ELECTRICO.................................................... ........................................................................................ .................................... 41 CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 43

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BIBLIOGRAFIA


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ARCO ELÉCTRICO


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Recientemente con el incremento de los daños, las perdidas humanas y económicas que son causadas por el Arc Flash, se ha puesto especial interés en los eventos del arc flash en equipos que operan en diferentes niveles de voltaje. Donde la energía incidente del arqueo de una falla es directamente proporcional al tiempo de aislamiento del arco, reduciendo el tiempo de arqueo se tiene un beneficio muy bueno. Esto también resulta benéfico en la reducción del nivel del equipo de protección personal (PPE) y limitando ambos daños directo y colateral de los equipos. El arco eléctrico no es un invento; se le presentó ya al primer físico que intentó abrir un circuito recorrido por una corriente cor riente eléctrica. En efecto, el circuito, siempre inductivo, dota a los electrones de suficiente energía para salvar la distancia que aparece en la zona de separación de los conductores. Normalmente, son estos electrones «pioneros» los que ionizan el gas, sea el que sea, y la creación de plasma facilita desde el principio el paso de la corriente. En estas condiciones podríamos imaginar que la ruptura total es muy difícil de conseguir a no ser que, un mejor conocimiento de este fenómeno nos permita descubrir algunas propiedades que nos van a resultar irreemplazables. Un arco eléctrico o el arqueo de una falla es un flashover de corriente eléctrica a través del aire en los equipos eléctricos con un conductor vivo expuesto a otro o a tierra. El Arc Flash es peligroso debido a la exposición excesiva de calor y serios daños por quemaduras causadas por el arqueo de una falla en los sistemas eléctricos. El arco eléctrico produce intenso calor, explosiones sonoras y ondas de


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN presión. Se tienen temperaturas extremadamente altas, intenso calor radiante, puede quemar la ropa y causar severas quemaduras que pueden ser fatales.

El aire tiene propiedades aislantes respecto a la conducción de la corriente eléctrica. Sin embargo, si la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos separados por aire una cierta distancia es lo suficientemente grande, puede superarse la rigidez dieléctrica del mismo, permitiendo pasar la corriente a través de él. En ese momento se produce el denominado arco eléctrico, una especie de “salto” de la corriente eléctrica a través del aire desde un elemento conductor a

otro. En un arco eléctrico pueden producirse temperaturas de miles de grados centígrados, temperaturas capaces de fundir los elementos metálicos, normalmente de cobre, existentes en sus proximidades. Tras generarse el arco, se produce una dilatación súbita del aire (explosión) que proyecta los metales fundidos (a modo de metralla) a distancias que pueden alcanzar varios metros. Todas estas características hacen que un trabajador expuesto a un arco eléctrico pueda verse expuesto, entre otros, a los siguientes tipos de riesgos: Altas temperaturas y emisión de radiaciones ultravioletas, capaces de provocar quemaduras de tercer grado a la persona expuesta. Proyecciones de materiales fundidos, con capacidad para penetrar en el cuerpo de la persona afectada. Altos niveles de ruido que pueden producir roturas timpánicas (posibilidad de superar los 160dB).


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN Ionización del aire circundante, pudiendo provocar arcos en cadena entre otros elementos en tensión. El daño potencial que el arco es capaz de producir va a depender básicamente de: 1) Intensidad de cortocircuito en el punto de operación (Icc). 2) Tiempo de respuesta de las protecciones eléctricas instaladas. La Icc va a estar en función de: Punto de la instalación en el que nos encontremos (a medida que nos alejemos del transformador su valor se irá reduciendo paulatinamente). Intensidad nominal en el punto de operación. Intensidad que será lógicamente proporcional a la potencia admisible en el circuito. Tensión de alimentación. El tiempo de respuesta de las protecciones eléctricas instaladas será a su vez función de: Características intrínsecas de los equipos de protección, tiempo de apertura. Estado de mantenimiento de los mismos. Criterio de selectividad definido en función de los requerimientos funcionales de la instalación. No sólo valores altos de Icc son capaces de provocar daños significativos, al ser el tiempo de respuesta de los dispositivos de protección función del nivel de la Icc, si la Icc es más pequeña, aumentará el tiempo de respuesta del dispositivo de protección, incrementándose así también el nivel de riesgo.


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Un arco eléctrico es una descarga que se mantiene por sí misma en una atmósfera gaseosa. Esta descarga se origina por la ionización del gas y produce un enlace eléctrico conductor entre electrodos de diferente potencial, con diferente relación de fases o entre una de estas fases y tierra. Los arcos eléctricos no aparecen solo en cortocircuitos, sino también en acciones de desconexión o interrupción de circuitos eléctricos bajo corriente (fusibles, interruptores, cables, conexión de cables, puntos de fijación) si no se toman precauciones especiales. También estos arcos eléctricos de conexión pueden provocar arcos eléctricos. Sin embargo las mayores energías se liberan en caso de arcos eléctricos por cortocircuito. Mientras que en el sector de baja tensión se necesita antes de un cortocircuito galvánico para que se produzca un arco eléctrico, en el sector de alta tensión solo el hecho de no mantener la correspondiente distancia de aire a las piezas que se encuentran bajo tensión es suficiente para el surgimiento de un arco eléctrico (descarga disruptiva o contorneo). Los arcos eléctricos representan un riesgo de consideración teniendo en cuenta la exposición al calor excesivo, explosión y enormes ráfagas de presión que genera, funde los materiales de los equipos, los cuales son expulsados como partículas y pueden producir quemaduras severas incluso fatales.


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN La liberación de electrones en el arco eléctrico se produce desde el cátodo por termo-emisión, la temperatura necesaria para alcanzar este estado de actividad la provoca el mismo arco, a través de la delgada zona de intenso campo eléctrico que aparece delante de dicho electrodo, y en el cual, los iones positivos libres que van llegando, experimentan una gran aceleración, impactando fuertemente el metal del electrodo catódico, lo que causa el aumento de temperatura. De este modo, el arco se mantiene por simple emisión térmica; sin embargo esto no explica la alta densidad de corriente, además, de la causa que aporta el trabajo necesario para el arranque de los electrones al cátodo. La causa hay que atribuirla a la gran intensidad de campo eléctrico que existe frente al electrodo (zona de caída de tensión catódica), capaz de equilibrar las fuerzas que tienden a mantener unidos los electrones al cátodo. En la figura, se pretende mostrar el comportamiento ideal de un arco eléctrico. La temperatura en el cátodo llega a 1900°C, como mínimo y frente al mismo queda una franja de 10-4cm de espesor máximo (zona de caída de tensión catódica) en la que se pierden de 5 a 20V, a los que corresponde una intensidad de campo de 50 a 1000 kV/cm. Este espacio se encuentra lleno de vapores metálicos procedentes del electrodo que a esta temperatura ya está fundido, el vapor está lleno de abundantes iones positivos con escaso número de electrones a los que les corresponde un 10 al 20% de la corriente transportada. La potencia desarrollada, con una corriente de 10kA, sería de 50 a 200kW, y proviene de la energía cinética y potencial de los iones positivos, aumentada por las reacciones químicas y el calor de la columna gaseosa. Toda esta energía cubre las pérdidas producidas por las radiación, convección y conducción térmica, vaporización del electrodo y arranque de los electrones. A continuación del campo de tensión catódica se establece el espacio ßameante (llama catódica), conocida como zona de transición, se guido de la columna del


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN arco, que puede llegar a ser del orden de centímetros, incluso hasta metros, sin que varíe la naturaleza del arco. La columna de arco se compone de moléculas gaseosas, y no de moléculas metálicas, por efecto de la difusión.

El transporte de las cargas es debido a los electrones, que alcanzan una velocidad alrededor de los 16km/s y una temperatura en su núcleo cerca de los 20000°C. Luego nos encontramos otra zona de transición (llama anódica), en la que también se presenta una caída de tensión (zona de caída de tensión anódica), esta franja es de espesor superior a 10-4cm, la intensidad de campo y la caída de tensión en esta zona es inferior a la del cátodo, llegando a ser esta última de 2 a 6V.


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN En el ánodo, la temperatura alcanza los 2200°C y los electrones predominan sobre los iones positivos, ya que este, atrae a los de signo contrario; esta zona también se encuentra llena de vapores de metal, debido a la alta temperatura. Pero cabe preguntarse: ¿De dónde proviene la alta temperatura, en un arco eléctrico? La respuesta es simple, esta proviene del transporte de iones y electrones, a través de la masa gaseosa, análogo al caso de un conductor metálico, o mejor aún, líquido. Los portadores de cargas, se ven acelerados por la acción del campo eléctrico en la dirección longitudinal del arco, y los choques elásticos, entre ellos y las moléculas del gas, hace que vayan ganando temperatura, y a la vez se la transmitan a las moléculas neutras del gas.



Un arco eléctrico oscilará y aumentará / se intensificará si no es Controlado/limitado en su expansión



Un arco eléctrico monofásico puede envolver un segundo o un tercer conductor en solo dos ciclos



La corriente de un arco eléctrico lanza / impulsa al arco lejos de la fuente de energía


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Los efectos que puede causar un arco eléctrico, son muchos, empezando con las graves lesiones por quemadura o pérdida de vidas humanas, la posible pérdida en el suministro del servicio, pérdidas materiales, daños a las instalaciones, entre otras. En resumen, los riesgos a los que se encuentran expuestas las personas, al presentarse una falla de arco, son: * Calor: las altas temperaturas que se presentan en un arco pueden causar quemaduras mortales a distancias de hasta 3m. * Presión (Arc Blast): el arco eléctrico no solo tiene una alta temperatura, sino también una onda de presión de hasta 0.3MPa, que equivale a una presión de » 30T/m2, que podría arrojar a una persona varios metros, o desprender objetos. *Objetos: debido a la alta presión que se presenta, un arco eléctrico puede contener metal fundido u objetos que se desprenden de celdas, los cuales al viajar a altas velocidades y presiones actúan como proyectiles. *Sonido: el súbito aumento de presión en el momento que se presenta el arco eléctrico, puede producir sonidos de hasta 140dB, que pueden producir daños en el sistema auditivo. *Productos tóxicos: la desintegración de los materiales y el humo liberado, producto de un arco eléctrico, constituyen un gran peligro para las personas que se encuentren cerca e inhalen estos, produciendo severos daños a los pulmones. *Radiación ultravioleta: Un arco eléctrico produce una luz brillante y también emite rayos ultravioleta e infrarrojos invisibles, los cuales pueden producir quemaduras a los ojos y la piel.


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN En la gráfica, se muestra la tolerancia de la piel a la temperatura, según el tiempo de exposición. Se muestran dos curvas de comparación, que se utilizan para pronosticar el comienzo de quemaduras de segundo grado, en ella se puede observar que para un tiempo superior a 0.1s y una temperatura mayor a 96°C, se presenta muerte del tejido de la piel, y para este mismo tiempo, con una temperatura por debajo de 80°C, se produciría una quemadura curable. Las consecuencias de la exposición al arco, dependen de lo siguiente: 

El número de veces en que los trabajadores laboran expuestos a equipos energizados.



Condiciones de los equipos.



Condiciones y tipo de herramientas utilizadas y uso de elementos de protección personal.



De la complejidad de la labor a desempeñar.



Del entrenamiento, habilidades, agilidad mental y física de la persona que realiza la labor.


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El arco puede ser iniciado por las siguientes causas: Impurezas y Polvo Las impurezas y polvo en la superficie del aislamiento pueden proporcionar un camino para la corriente, permitiendo un flashover y creando la descarga del arco a través de la superficie. Esto puede desarrollar un mayor arqueo. Corrosión La corrosión de los equipos puede proporcionar impurezas en la superficie del aislamiento. La corrosión también debilita el contacto entre las terminales de los conductores incrementando la resistencia de contacto a través de la oxidación u alguna otra contaminación corrosiva. La condensación del vapor y el goteo del agua pueden crear un camino en la superficie de los materiales aislantes. Esto puede crear un flashover a tierra y la intensificación del potencial del arco de fase a fase. Contactos Accidentales: El contacto accidental con la exposición de las partes vivas puede iniciar el arco de una falla. Caída de Herramienta La caída accidental de la herramienta puede causar un cortocircuito momentáneo, produciendo chispas e iniciando el arco.


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN Sobre-Voltajes a través de espacios estrechos: Cuando el espacio de aire entre conductores de diferentes fases es m uy estrecho (debido a la mala calidad o al daño de los conductores), el arco puede ocurrir durante los sobre-voltajes temporales. Falla de los materiales aislantes. El arco eléctrico también es causado por lo siguiente: 

Utilización o diseño inapropiado del equipo.



Procedimientos de trabajo inapropiados.

Algunos de los riesgos del arqueo de una falla son las siguientes: Calor Quemaduras fatales pueden ocurrir cuando la victima se encuentra a varios metros del arco. Serias quemaduras son comunes a una distancia de 3 metros. Objetos La extensión del arco produce la caída de pequeños objetos metálicos a alta presión. La explosión puede penetrar el cuerpo. Presión La onda de presión de la explosión puede lanzar a los trabajadores a través del cuarto, noqueándolos. La presión en el pecho puede ser mayor a 2000 lb2ft. Ropa La ropa es quemada a varios metros.


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN El área de la ropa, puede ser quemada más severamente que la piel expuesta. Pérdida auditiva por explosión sonora. El sonido puede tener una magnitud hasta de 140 dB a una distancia de 60.96 cm del arco

Descarga eléctrica 

Quemaduras graves



Pérdida de la visión debido a la intensidad del destello de luz



Lesiones por la onda expansiva:


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

Heridas por esquirlas



Lesiones a los pulmones por la explosión



Ruptura de los tímpanos



Lesiones por las ondas de Presión

Un arco eléctrico puede lanzar/arrojar/derribar a un trabajador: 

De una escalera



Contra las paredes o equipos cercanos


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Una presión de 2000 lbs/ft2 sobre el cuerpo puede causar: 

Conmoción cerebral



Colapso de los pulmones



Otras lesiones internas

La siguiente tabla muestra la probabilidad de sobrevivir de una persona de acuerdo a su edad y porcentaje de quemaduras en el cuerpo.

Explicación: Una persona tiene posibilidad de sobrevivir al 100% si se encuentra en el rango de edad de 20-29.9 años y si sólo sufrió quemaduras del 25%. Una persona de edad avanzada, por ejemplo si tomamos el rango de 50-59.9 años, sólo tiene la probabilidad de sobrevivir del 60%, si en su caso sufrió quemaduras del 50%. Esto


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN quiere decir, a mayor edad y con un porcentaje alto de quemaduras, menor será la probabilidad de sobrevivir.

Entre los numerosos riesgos a los que se ven sometidos los trabajadores que desarrollan actividades con equipos eléctricos, se encuentra la Exposición al Arco Eléctrico. Sus orígenes pueden ser variados: falla de un aislamiento, caída de una herramienta, etc. La falla o cortocircuito, en general, irá acompañado de un Arco Eléctrico de Potencia, que fácilmente puede alcanzar a un operario en las cercanías del hecho.

El Arco Eléctrico representa Riesgos Graves (potencialmente fatales): quemaduras por el intenso calor y el desprendimiento de partículas de metal incandescente, ruido y presión peligrosos, etc.


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN Los Trabajadores en riesgo deben estar entonces protegidos de estos efectos, para lo cual se les provee de Indumentaria de Protección adecuada. La condición y cantidad de calor a los que se pueden ver expuestos los trabajadores en riesgo, se expresa generalmente en términos de Energía I ncidente (cal/cm2 o kW.s/m2)

ENERGIA LIBERADA POR UN ARCO ELÉCTRICO En estas condiciones, es esencial entonces: 

Estimar la energía que puede provenir del Arco Eléctrico, en puntos característicos de la instalación.



Caracterizar el tipo de indumentaria necesaria, para proteger al personal que desarrolle tareas en zonas con riesgo de exposición al arco eléctrico.

NFPA 70E, National Fire Protection Association, “Standard for Electrical Safety Requirements for Employee Workp laces”. IEEE Standard 1584: “Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations”. BGI/GUV-I 5188 E: “Thermal hazards from electric fault arc. Guide to the selection of Personal Protective Equipment for electrical work”.

ENSAYOS DE ARCO ELÉCTRICO DE INDUMENTARIA DE PROTECCION Normas para el ensayo de indumentaria a ser utilizada ante riesgo de exposición a un arco eléctrico: Arco Eléctrico Abierto:  

ASTM F1959 IEC 61482-1-1 (15 kV, 8 kA)

Energía Incidente -> Valor de Protección Térmica del Arco (ATPV).


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Arco Eléctrico Confinado (Box Test): 

IRAM 3904



IEC 61482-1-2



ENV 50354

Clase 1: 400 V, 4 kA Clase 2: 400 V, 7 Ka


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ENSAYOS DE ARCO ELÉCTRICO EN EL LABORATORIO DE POTENCIA Arco Eléctrico Confinado (Box Test) IRAM 3904


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Arco Eléctrico Confinado Box Test IRAM 3904

ARCO ELECTRICO 7 KA , 400 V


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Formación del arco: • Si en un sistema ocurre una falla, esta debe ser detectada por el sistema de

protección (sensibilidad), el que después de un *t = relé debe dar la orden de disparo al o los interruptores más adecuados para aclarar o despejar la falla (selectividad). • El o los interruptores cuyas bobinas de disparo han sido energizad as por los

relés, después de *t = tiempo de apertura, empiezan a separar sus contactos a través de las cuales circula IF (KA). • Al separare los contactos, la corriente no cae a cero, ya que la R entre los

contactos aumenta y el I2R genera calor ionizado el aire y/o vaporizando el ionizando el aceite, los que actúan como un conductor debido al número de electrones libres, permitiendo que circule la corriente. • El arco es una columna de calor, gas ionizado. La R arco es una resistencia

no lineal. Extinción • No obstante que mediante la separación de los contactos se puede llegar a

cortar el arco: R sube, por lo tanto I baja, no siempre es factible aumentar el arco al valor necesario para apagarlo. • También es factible reducir la ionización y la sección del arco. Aumentar la

fuerza dieléctrica del espacio del arco.


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN • En general, para apagar un arco, primero se alarga (R sube) y luego se enfría

(se pueden agregar sustancias aislantes frías: aceite mineral, aire comprimido). • La extinción de un arco de C.A es mucho más fácil que un arco de C.C,

debido a que la corriente alterna se hace igual a cero dos veces en cada ciclo. • Al pasar por cero la C.A el arco se corta; en ese instante se aumenta la

resistencia dieléctrica entre contactos de manera que no se reencienda el arco (lo que sucede 1,3,5,8 ciclos después de iniciado el arco) ,es decir, la resistencia dieléctrica del espacio del arco debe aumentarse más rápidamente que el voltaje a través de este mismo espacio.

ELEMENTOS PARA LA EXTINCIÓN DEL ARCO Aire: Se emplean de preferencia para baja tensión y en algunos sistemas de tensiones medias. • Al empezar a separarse los contactos A y B se establece arco en la base. • Calor generado, hace que la corriente de aire obligue al arco a ascender. • Las fuerzas electromagnéticas dentro de un lazo tienden a aumentar su área,

el arco es aún más impulsado hacia arriba. • El arco más largo se enfría con mayor facilidad por convección, por

corrientes de aire y por radiación. A mayor arco se necesita una mayor er para mantenerlo. • En interruptores de este tipo el arco debe extinguirse antes de que llegue a

los extremos superiores de los cuernos. • Algunos interruptores emplean bobinas que producen un campo magnético

que contribuya al movimiento del arco hacia los extremos de los cuernos (soplo magnético). Se emplean hasta nivel de distribución. (> 23 KV). Arco seccionalizado Un mayor alargamiento del arco se logra si se emplean barreras de material


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN aislante, lo que permite interrumpir corrientes de mayor magnitud. Las superficies de las láminas aislantes se pueden enfriar. El arco se alarga por efecto de un soplo magnético (bobinas alimentadas por la corriente del sistema, en serie con el arco). Gran volumen aceite Ventajas • Mayor conductibilidad térmica del aceite que el aire (enfría el arco y

los contactos). • Al formarse el arco el aceite vecino se evapora formando una

burbuja que lo rodea. La descomposición del aceite produce un gas con alto contenido de hidrógeno, el que es desfavorable a la formación de iones. • Los gases de alta presión introducen turbulencias dentro de la

columna del arco. • La interrupción del arco depende: • Alargamiento • Refrigeración • Introducción de gas desfavorable a su formación.

Cámara aislante Cada polo o fase tiene doble cámara interruptiva conectadas en serie. Cámara de contactos cerrados Para tensiones y capacidades de ruptura o de interrupción muy grandes, cada fase de un interruptor va dentro de un tanque separado, aunque el accionamiento de los tres polos es simultáneo, por medio de un mando común. Cámara de contactos abiertos Al descender el contacto móvil, el arco sale por la garganta. La parte del arco que esta dentro de la cámara genera gas que expele el aceite por la garganta poniéndolo en íntimo contacto con el arco, enfriándolo y arrastrándolo físicamente hacia fuera a los electrones libres y los iones positivos. En algunos diseños el soplo de aceite es transversal.


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN Soplo longitudinal soplo transversal Peligro: Incendio de aceite en caso de que el tanque se rompa por presión interna muy elevada. Aire comprimido o aire a presión o neumático Ventajas: • Peligro de incendio está reducido a un mínimo. • Velocidad de separación de los contactos puede ser muy grande.

Funcionamiento Al tomarse el arco un chorro de aire e alta presión lo enfría y elimina el gas ionizado de entre los contactos en separación. El poder de ruptura aumenta casi proporcionalmente a la presión del aire inyectado, esta varía entre 8 y 13 kg/cm. La extinción del arco se efectúa en un tiempo muy corto del orden de 3 ciclos, lo cual produce sobretensiones mayores que en los casos anteriores. Debido a que algunos interruptores producen mayores sobretensiones, es común en los fabricantes insertar en paralelo con los contactos principales, resistencias amortiguadoras y capacitancias que producen altas impedancias y reparten las tensiones de las cámaras. Pequeño volumen de aceite Las cámaras de extinción tienen la propiedad de que el efecto de extinción aumenta a medida que la corriente que va a interrumpir crece. Por eso al extinguir las corrientes de baja intensidad, las tensiones generadas son pequeñas. La potencia de apertura es limitada sólo por la presión de los gases desarrollados por el arco, presión que debe ser soportada por la resistencia mecánica de la cámara de arqueo. Para potencias interruptivas altas, el soplo de los gases sobre el arco se hace perpendicularmente al eje e los contactos, mientras que para potencias bajas, el soplo de os gases se inyecta de forma


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN axial. El desarrollo de los gases de extinción depende más de la corriente que la tensión, lo que origina que la potencia de cortocircuito aumente constantemente con la tensión, como se puede observar en la figura 6.33, que relaciona la potencia máxima de cortocircuito en por ciento con la tensión de restablecimiento, también en por ciento. En dicha gráfica se puede apreciar que si la tensión de restablecimiento alcanza un valor doble, la potencia de ruptura aumenta en un 50%. Los interruptores de este tipo usan un mando que energiza por medio de resortes. El tiempo de la extinción de arco es del orden de 6 ciclos. Curvas de potencia de cortocircuito − tensión de restablecimiento

Hexafloruro de azufre (SF6) Las cámaras de extinción operan dentro de un gas llamado hexafloruro de azufre (SF6) que tiene una capacidad dieléctrica superior a otros fluidos dieléctricos conocidos. Esto hace más compactos y más durables los interruptores desde el punto de vista de mantenimiento. Propiedades del SF6: Es un gas químicamente estable e inerte, su peso específico es de 6.14 g/l. Alcanza unas tres veces la rigidez dieléctrica del aire, a la misma presión. A la temperatura de 2000 oK conserva todavía alta conductividad térmica, que ayuda a enfriar el plasma creado por el arco eléctrico y al pasar por cero la onda de corriente, facilita la extinción del arco. Físicamente el gas tiene características electronegativas, o sea, la propiedad de capturar electrones libres transformando los átomos en iones negativos, lo cual provoca en el gas las altas características de ruptura del arco eléctrico y por lo tanto la gran velocidad de recuperación dieléctrica entre los contactos, después de la extinción del arco. Los interruptores con este gas pueden librar las fallas hasta en dos ciclos y para limitar las sobretensiones altas producidas por esta velocidad, los contactos vienen con resistencias limitadoras.


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN Las principales averías de este tipo de interruptores son las fugas de gas, que requieren aparatos especiales para detectar el punto de la fuga. En un aparato bien instalado, las pérdidas de gas deben ser inferiores al 2% anual del volumen total de gas encerrado dentro del aparato. En caso de pérdida total de la presión del gas y debido a la alta rigidez dieléctrica del SF6, la tensión que pueden soportar los contactos cuando están abiertos es igual al doble de la tensión de fase a tierra. De cualquier forma, no es conveniente operar un interruptor de SF6 cuando ha bajado su presión por una fuga y debe ser bloqueado el circuito de control de apertura para evitar un accidente. En los interruptores trifásicos, la apertura de los contactos es simultánea, aunque conviene que haya dispersión de un milisegundo, entre los tres polos; se entiende por dispersión a la diferencia en tiempo que existe entre el instante del cierre del primero y el instante de cierre del último polo del interruptor. El uso de la dispersión es importante, pues sirve para reducir las sobretensiones debidas a impulsos por maniobra. El vacío Los aparatos que utilizan este sistema, en teoría, abren en un ciclo debido a la pequeña inercia de sus contactos y a su pequeña distancia. Los contactos están dentro de botellas especiales en las que se ha hecho el vacío casi absoluto. El contacto fijo esta sellado con la cámara de vacío y por el otro lado entra el contacto móvil, que también esta sellado al otro extremo de la cámara, y que en lugar de deslizarse, se mueve junto con la contracción de un fuelle de un material que parece ser una aleación del tipo del latón. Al abrir los contacto dentro de la cámara de vacío, no se produce ionización y, por tanto, no es necesario el soplado del arco ya que este se extingue prácticamente al paso por cero después del primer ciclo. Este tipo de utiliza en instalaciones de hasta 34,5 KV dentro de tableros blindados. Los dos inconvenientes principales son: • Que por algún defecto o accidente, se pueda perder el vacío de la cámara y al

entrar el aire y producirse el arco, pueda reventar la cámara.


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN • Debido a su rapidez producen grandes sobretensiones entre sus contactos y

estos emiten ligeras La electricidad ha sido el motor del progreso en el siglo XX y la utilización de ella es una de las mayores preocupaciones que debemos tener como futuros Instaladores Eléctricos, en lo que se refiere a la selección de las Protecciones Eléctricas. Como nos pudimos dar cuenta con este trabajo, se ha avanzado mucho en materia de seguridad, pero existe un gran riesgo difícil de eliminar y que es el control de la energía liberada por los arcos eléctricos en los aparatos y equipos eléctricos. Cuando se realiza una desconexión de un aparato de maniobra o de protección, sea en forma manual (si se va a realizar algún trabajo o mantención en la instalación), o en forma automática (debido a la operación de la protección), no solo se abren los contactos del interruptor, sino que también debe ser apagado el arco eléctrico que se presenta cuando los contactos se abren. Si no se tienen las precauciones necesarias, un arco eléctrico que tan solo dure 30 [ms], puede provocar grandes desperfectos en una instalación eléctrica. Los arcos eléctricos, entre muchas causas, se generan cuando se reduce el aislamiento entre las partes conductoras a distinto potencial, lo cual puede ser debido a: • Cargas mecánicas, térmicas o eléctricas muy elevadas. • Sobretensiones. • Cuerpos extraños en el interior de los equipos de maniobra.


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Para llevar a cabo un análisis de riesgo por arco eléctrico con la metodología existente, se tendrá que tener en cuenta los parámetros que se necesiten del sistema, para eso se hace necesario: • Recopilar datos de la subestación a evaluar:

Se debe tener un estudio de cortocircuito y coordinación de protecciones, la potencia de falla disponible y datos de placas en todas las

zonas de

trabajo o en donde se pretenda hacer la evaluación. • Conocer las características eléctricas de la subestación: Se debe conocer las

características eléctricas de la subestación, su funcionamiento y otras características que puedan afectar los parámetros necesarios para hacer la evaluación. • Determinar las corrientes de fallas francas: Es tas corrientes pueden estar

ya determinadas, en caso contrario, habría que hacer un estudio de cortocircuito que arroje estos valores, ya que estas son un parámetro de suma importancia en el análisis. • Determinar la corriente de falla de arco: La corriente de arco depende

principalmente de la corriente de falla franca, hay que tener en cuenta, que se debe hacer un segundo cálculo de la energía incidente con una reducción del 15% de la corriente arco, y un nuevo tiempo de actuación de los dispositivos de protección para esta nueva corriente, ya que la energía incidente depende linealmente de esta. • Encontrar las c aracterísticas de los dispositivos de protección: Esto es

importante, ya que con tener deÞnidos las características de los dispositivos de protección, se pueden obtener fácilmente los tiempos de actuación de éstos y la duración del arco. • Documentar l as tensiones y la clase de equipos de la subestación: Al igual

que la corriente, la tensión es otro parámetro importante en cálculo de la


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN energía incidente por lo tanto es importante tener identiÞcado el nivel de tensión en cada barraje. • Determinar las distancias de trabajo: Para esto se pueden tomar las que

aparecen en las tablas de la NFPA-70E, o las que se tengan para cada caso. • Determinar la energía incidente de todos los equipos: Se puede hacer uso de un software que pida los datos de ingresos y comparar los resultados obtenidos por éste, con las ecuaciones de los diferentes métodos. • Determinar las fronteras de protección contra arco para cada equipo: En

base a los cálculos anteriores y la energía incidente calcular la distancia para la frontera de protección y de marcarla. Demarcación de zonas y equipos: Luego de hacer los cálculos y determinar la energía incidente en cada equipo o barraje de trabajo en la 

subestación, se debe proceder a marcar el equipo con una etiqueta que indique la energía incidente, el nivel de riesgo y el tipo de EPP a utilizar en él, según normas. En la tabla, se describen los EPP, según el nivel de energía, también se define la categoría del riesgo.


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Una corriente de corto circuito es quella que circula en un circuito eléctrico cuando existe el contacto entre dos o mas conductores al perderse el aislamiento entre ellos o entre ellos y tierra. La magnitud de la corriente de corto circuito es mucho mayor que la corriente nominal o de carga que circula por el circulo.

Las fallas francas, se caracterizan por el hecho de que existe una conexión solida, causando el flujo de altas corrientes de corto circuito. Las fallas por arco eléctrico son causadas por la perdida de distancia de aislamiento entre equipos energizados. Un arco eléctrico o una falla por arco es una formación de un arco de corriente eléctrica a travez del aire, desde un conductor vivo expuesto a otro a tierra. El arco eléctrico es de manera general u corto circuito atravez del aire. La corriente de falla por arco es de menor magnitud que las fallas francas debido a que el aire o vapor actúan como una impedancia entre los materiales conductores.

El arco eléctrico es peligroso debido a la explosión excesiva de calor y serios daños por quemaduras causadas por el arqueo de una falla en los sistemas


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN eléctricos. Se tienen temperaturas extremadamente altas, intenso calor ardiente, puede quemar la ropa y causar severas quemaduras quepueden ser fatales. Aunque los programas de seguridad eléctrica han existidos desde los inicios de la electricidad, los riesgos por arco eléctrico no habían sido tomados en cuenta hasta hace relativamente poco tiempo.


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El programa de riesgo por arco eléctrico se implementará como parte del programa global de seguridad eléctrica de la empresa. El principal objetivo del programa es prevenir o reducir al mínimo las lesiones por un ßameo de arco a los trabajadores o a cualquier persona involucrada en los procesos de la empresa. El programa de riesgo por arco eléctrico, se implementará en las siguientes etapas: * Evaluación de riesgos: cálculos basados en parámetros del sistema de energía para determinar el límite de protección contra ßameo, la energía inci dente a la que un trabajador puede estar expuesto y categoría de riesgo. Una tarea importante en la evaluación es revisar los datos técnicos en los Bancos de Información Técnica disponibles y la recopilación de los datos restantes necesarios. • Documentación: es necesario documentar los resultados de la evaluación de

riesgo por ßameo de arco y también proporcionar los letreros y etiquetas en el equipo y en las áreas peligrosas. * Implementar procedimientos para minimizar los riesgos: los riesgos potenciales pueden ser reducidos al mínimo con métodos de trabajo seguro, suministro de EPP adecuados, la planiÞcación del trabajo, etc. El tiempo de exposición al ßameo de arco eléctrico también puede reducirse mediante la mejora de diseños de sistemas, utilizando los actuales dispositivos de protección y el ajuste de tiempos de relés y actuación de los dispositivos de protección. * Uso de EPP: basado en la evaluación de los riesgos, los equipos de protección personal deben ser seleccionados y proporcionados a los trabajadores. Los


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN trabajadores deben vestir estos adecuadamente, proporcionar atención y mantenimiento de los mismos e inspeccionar antes de cada uso. *Formación y entrenamiento de los trabajadores: las personas que están expuestos, constantemente, al peligro de ßameo de arco eléctrico deben estar capacitados y entender el fenómeno, cómo se inicia, cómo leer las etiquetas de advertencia, la manera correcta de usar los EPP, y cómo se puede reducir el peligro haciendo uso de los procedimientos de trabajo seguro. * Mejoramiento continuo: el programa puede ser mejorado continuamente mediante la inclusión de nuevos desarrollos y normas que se vayan presentando. Debido a que los sistemas eléctricos van cambiando con el tiempo, es necesario actualizar la información de la evaluación en una base de datos siempre disponible. Además, la experiencia puede aportar nuevas ideas de los trabajadores que pueden ser incluidas en el programa. • El programa de riesgo por arco eléctrico se implementará como parte del

programa global de seguridad eléctrica de la empresa. El principal objetivo del programa es prevenir o reducir al mínimo las lesiones por un ßameo de arco a los trabajadores o a cualquier persona involucrada en los procesos de la empresa. El programa de riesgo por arco eléctrico, se implementará en las siguientes etapas: Normalización: todos los procedimientos, guías, fichas técnicas, deben estar normalizadas para aplicarse en cada caso, esto con el fin de garantizar la coherencia en las prácticas de seguridad y tener un enfoque unificado.


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Con lo que respecta al trabajo realizado, podemos concluir que es in dispensable realizar una evaluación del sistema eléctrico con los estudios de cortocircuito y coordinación de protecciones previamente, antes de abordar con el estudio de Arc Flash, ya que el estudio de cortocircuito proporciona la magnitud de corriente en condiciones de falla, así como en el estudio de coordinación de protecciones se determina el tiempo de operación de los equipos de protección y las condiciones de sobrecarga. Es importante realizar el análisis de Arc Flash, ya que con esto se tiene una estimación correcta de la energía incidente y los límites de protección a los que se debe de trabajar, así como determinar la categoría y tipo de equipo de protección personal que se debe emplear de acuerdo al nivel de energía incidente y no sobre dimensionar el equipo de protección, ya que podría causar incomodidad propiciando accidentes que causarían la iniciación del arco. Asimismo se evita en un 90% siniestros tales como quemaduras fatales que propiciarían un periodo largo de recuperación del personal afectado y en su caso hasta la muerte; significando perdidas humanas, económicas y de producción para la empresa, además de sustitución de equipo que integra el sistema eléctrico en cuestión.


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Arco Electrico

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