TESIS Que para obtener el título de Ingeniero Electricista

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1 Instituto Politécnico Nacional. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco. Estudió de riesgo por arco eléctrico para una red industrial apegado a la normatividad aplicable para seleccionar el equipo de protección personal adecuado y minimizar riesgos por descarga y arco eléctrico TESIS Que para obtener el título de Ingeniero Electricista Presentan: Víctor Hugo Bautista Hidalgo Edgar Adrián Zarate Enríquez Asesores: Telésforo Trujillo Sotelo Bulmaro Sánchez Hernández México D.F

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3 Agradecimientos: El apoyo que he recibido es un factor fundamental para poder culminar los estudios como Ingeniero Electricista. Agradezco a mi Madre por ese apoyo e impulso que me ha brindado de forma incondicional. A mi esposa e hijos que me han tenido la paciencia y que me han brindado su apoyo y que son fuente de inspiración para poder seguir adelante. A mis amigos por ayudarme en los momentos difíciles y brindarme su casa. A mis maestros que me han apoyado con su tiempo y con su profesionalismo. Gracias a todos. Este proyecto que se ve plasmado en estas páginas se pudo realizar gracias al apoyo de muchas personas que creyeron en nosotros. Agradezco a mis padres y hermanos, ya que a pesar de mis tropiezos siempre han estado a mi lado brindándome su apoyo. A mi esposa que me dio fuerzas y tiempo para verme dar ese último paso, a mi hija Sofía por llegar a nuestras vidas y ser una gran inspiración. A mis profesores que me ayudaron a cerrar este capítulo de mi vida con su paciencia y su profesionalismo. A Victor ya que siempre me impulsó a seguir en pie de lucha para culminar este proyecto. Gracias. 2

4 Índice Agradecimientos:... 2 Índice... 3 Introducción:... 6 Justificación:... 8 Objetivo:... 9 I. Conceptos para el estudio de Arco eléctrico Arco Eléctrico Definición de Arco Eléctrico Causas de Arco Eléctrico Naturaleza del Arco Eléctrico Riesgos por Arqueo de una Falla Probabilidad de Sobrevivencia Impactos por arco eléctrico (arc flash) en el cuerpo humano Exposición potencial al arco eléctrico Frontera de protección Métodos de cálculo Diferencia entre el cálculo con la NFPA 70E y la IEEE Los accidentes con exposición al arco eléctrico puede ser reducidos por medio de: Programas de seguridad Pasos para el cálculo del arco eléctrico Cálculo con Estándar IEEE Cálculo con NFPA 70E Arco eléctrico Ecuaciones básicas para calcular las distancias de la frontera de protección contra arco eléctrico Cálculo de la exposición a la energía incidente para el análisis de peligro de arco eléctrico Energía incidente a tensión superior a 600 V para el análisis de peligro de arco Equipo de protección NOM-017-STPS NFPA 70E 2004 [11] Categoría peligro/riesgo OSHA Ropa resistente a la flama por arco eléctrico Cortocircuito Diagrama unifilar Simbología Definición de Cortocircuito Corrientes simétricas y asimétricas Fuentes de corriente de cortocircuito Tipos de Falla Métodos de cálculo del cortocircuito Cálculo del cortocircuito por unidad

5 2.7.2 De acuerdo a la Norma IEEE [8] existen tres redes de impedancias comúnmente utilizadas en los diseños: Coordinación de dispositivos de protección Datos requeridos para un estudio de coordinación Curvas típicas de algunos equipos de protección Límites de Equipos Eléctricos Condiciones de funcionamiento de los equipos y/o dispositivos eléctricos Requerimientos mínimos de protección Niveles de resistencia térmica de equipos Tiempos de intervalo de coordinación II. Estudio de aplicación de cortocircuito y coordinación de protecciones Estudio de Corto Circuito Alcance del estudio de corto circuito Diagrama unifilar Diagrama unifilar simplificado DUE Diagrama unifilar simplificado DUE Recopilar Datos Seleccionar los valores Base Convertir las impedancias en por unidad referidas a la base seleccionada Calcular el corto circuito Diagrama de Impedancias Corridas de Cortocircuito Verificación de capacidades interruptivas Estudio de Coordinación de Protecciones Cálculo y ajuste de protecciones en el transformador TRF kv-440 Volts Datos del transformador TRF Cálculo del perfil de corrientes del transformador Corriente de magnetización (INRUSH) Curva de daño térmico y punto ANSI del transformador Corriente Súbita (I súbita) o corriente máxima de arranque Corriente de cortocircuito ( Icc) Protección principal en el secundario del transformador Cálculo de ajustes de la unidad de tiempo largo (Long time) Cálculo de ajustes de la unidad instantánea (instantaneous) Cálculo de ajustes de la unidad de falla a tierra (ground fault) Ajustes seleccionados de la protección principal del transformador Cálculo de ajustes de relevadores de protección ANSI 50/51 y 50/51N en Subestación principal tablero ABB y Subestación tablero Siemens a 13.8 kv Alimentador S.E. tablero ABB a 13.8 kv S.E. principal Protección del alimentador en S.E. principal CFE a 13.8 kv Protección del alimentador en tablero Siemens a 13.8 kv Graficas III. Estudio de Arco Eléctrico Estudio de Arco Electrico (Arc Flash) Alcance del estudio

6 6.2 Cálculos del arco eléctrico Ejemplo de cálculo para la barra colectora Determinación de la energía incidente normalizada Cálculo de la frontera de protección contra arco Resultados del análisis de arco eléctrico (Arc flash) IV. Selección de equipo y evaluación del estudio Recomendaciones Generales Areas de Etiquetado Costos V. Conclusiones: Referencias: Anexo Anexo Anexo

7 Introducción: En las plantas industriales la seguridad de las personas y de las instalaciones, es de vital importancia y las empresas que quieren ser competitivas deben cumplir con Normas y estándares de seguridad en sus instalaciones. En este trabajo se realizará un estudio de arco eléctrico en una planta industrial para poder seleccionar de forma adecuada el equipo de protección personal, también se obtendrá el conocimiento de los riesgos por arco eléctrico. En las empresas es necesario que el personal esté capacitado, tenga el equipo de protección personal (EPP) adecuado, los equipos eléctricos como Tableros de distribución en media y baja tensión, centros de control de motores (CCM) sean seguros y estén dentro de valores aceptables de su capacidad así como también que los interruptores estén de acuerdo a lo valores de cortocircuito y que exista coordinación de protecciones. Todo esto da como resultado beneficios y uno de ellos es sin duda la disminución y por qué no pensar en tener cero accidentes por arco eléctrico, mayor productividad, actualización de diagramas unifilares, generación de compromisos de seguridad ante la sociedad y contar con equipo eléctrico que disminuye los efectos del arco eléctrico cuando este se presenta. Para poder realizar el estudio de arco eléctrico son necesarios dos estudios importantes como lo son el estudio de cortocircuito y coordinación de dispositivos de protección. Esta tesis contiene 6 capítulos. El primer capítulo corresponderá de la teoría de arco eléctrico donde partiremos con los conceptos de arco eléctrico, causas, efectos y consecuencias; para después abordar los métodos de cálculo mencionando las ecuaciones utilizadas por la IEEE 1584 [7] y la NFPA 70E [11]. También en este capítulo se menciona la normatividad y estándares que hacen hincapié en la utilización de equipo de protección personal como la NOM-017-STPS [2], la NFPA-70E [11] y la OSHA [17] y al final ejemplos de ropa que se maneja contra el arco eléctrico. En el capítulo dos se aborda el tema de cortocircuito, contiene los conceptos básicos, lo que es un diagrama unifilar, las fuentes de cortocircuito, los tipos de falla y los métodos de cálculo para así realizar un estudio de cortocircuito. El capítulo tres corresponde a coordinación de dispositivos de protección, donde se verán conceptos necesarios, curvas de protección, limites de operación de equipos, requerimientos mínimos de protección de acuerdo a la NOM-001-SEDE-2005 [1] y márgenes de protección. El capítulo cuatro y cinco son el caso práctico donde se aplican los conceptos de cortocircuito, coordinación y arco eléctrico para una planta industrial en media y baja tensión 13.8 kv y 0.44 kv respectivamente. El capítulo cuatro corresponderá al estudio de cortocircuito donde se realizará un cálculo manual para algunas barras colectoras de acuerdo al diagrama unifilar simplificado, también 6

8 adicionaremos las corridas de cortocircuito con ayuda de software SKM Power Tools, para poder realizar la verificación de capacidades interruptivas. El siguiente capítulo cinco es el estudio de coordinación de dispositivos de protección donde se presentara el valor de ajuste de protecciones del lado secundario del transformador, los valores de ajuste finales y la coordinación entre ellos. El ultimo capitulo es el estudio de Arco eléctrico donde se partirá de los resultados obtenidos de los estudios previos donde definiremos el alcance del estudio de arco eléctrico, se realizara un cálculo manual basado en la IEEE 1584 [3], y una tabla con resultados obtenidos del software donde se obtendrá la clase del equipo de protección personal, que será adecuado al nivel de energía incidente del sistema eléctrico y analizaremos los resultados, posteriormente se darán algunas recomendaciones para la planta, así como la realización de las etiquetas de arco eléctrico que también son una opción del software y tendremos los costos donde evaluaremos la factibilidad de realizar un estudio de arco eléctrico dentro de la planta industrial. 7

9 Justificación: La seguridad dentro y fuera de las plantas industriales es importante, es por ello que el estudio de Arco Eléctrico permitirá poder seleccionar de forma adecuada el equipo de protección personal, así como tener presentes los riesgos implícitos por exposición al arco eléctrico para poder reducir y/o evitar lesiones o muerte al personal de operación y mantenimiento, cumpliendo con la normatividad nacional (NOM-029-STPS-2005) [7]. El tener una planta segura nos permitirá: o Tener condiciones seguras de trabajo. o Elevar la continuidad. o No tener pérdidas económicas debido a los paros, pago de incapacidades y atenciones médicas. o Realizar los programas de mantenimiento en condiciones seguras. o Cumplir con normatividad de seguridad. El desarrollo de esta tesis pretende difundir los conocimientos básicos de arco eléctrico, cortocircuito y coordinación de protecciones para poder realizar un análisis del riesgo por arco eléctrico. 8

10 Objetivo: Realizar un estudio de Arco eléctrico de una Planta Industrial existente en los tableros de distribución de 13.8 kv y centro de control de motores (CCm s) en 440, 220 volts y en algunos puntos de la red eléctrica para tener los valores de energía incidente, distancias de seguridad y clases de equipo de protección personal antes de ejecutar cualquier trabajo eléctrico y así trabajar cumpliendo con las normas de seguridad eléctrica para evitar lesiones o muertes al personal de operación y mantenimiento de la planta Se emitirá la tabla de resultados del software así como las etiquetas donde identificáremos los riesgos por arco eléctrico; como energía incidente, distancias de seguridad y así se podrá especificar el equipo de protección personal adecuado a la barra colectora. 9

11 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico I. Conceptos para el estudio de Arco eléctrico 1.0 Arco Eléctrico Introducción: El estudio de arco eléctrico determina la energía incidente, distancias de seguridad, el equipo de protección personal a utilizar y permite conocer los riesgos por exposición al arco eléctrico para reducir o eliminar peligros que acechan al personal de operación y mantenimiento eléctrico de la planta. En este capítulo se dará la definición, causas, riesgos por arco eléctrico así como la metodología que podemos emplear para el estudio de arco eléctrico. 1.1 Definición de Arco Eléctrico Un arco eléctrico o falla por arco eléctrico es un destello (flashover) de corriente eléctrica a través del aire en un equipo eléctrico, debido a un conductor energizado expuesto a otro o a un equipo conectado a tierra. El arco eléctrico por falla en los sistemas eléctricos es un peligro grande por la exposición de altas temperaturas y serios daños por quemaduras. Los arcos eléctricos producen calor intenso, explosiones sonoras y ondas de presión. Se tienen temperaturas extremadamente altas, intenso calor radiante que pueden encender la ropa y causar severas quemaduras que pueden ser fatales. 1.2 Causas de Arco Eléctrico Los arcos pueden ser causados por los siguientes: Polvo e impurezas. Polvo e impurezas en las superficies de los aislamientos pueden proveer un camino a la corriente, permitiendo un arco eléctrico y crear una descarga a través de la superficie. Esto puede crear un arco mayor. Corrosión. La corrosión de partes de los equipos pueden proporcionar impurezas en la superficie de los aislamientos. La corrosión también debilita el contacto entre las terminales, incrementa la resistencia de contacto a través de la oxidación u alguna otra contaminación corrosiva. Condensación de vapor y goteo de agua pueden causar camino en la superficie de los materiales aislantes. Esto puede crear un destello por arco eléctrico a tierra e incrementar el potencial de arco eléctrico. Contactos accidentales. Contacto accidental con partes energizadas expuestas. 10

12 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico Sobretensiones a través de espacios estrechos. Cuando las distancias de aire entre los conductores o fases es muy pequeña (debida a la mala calidad y daño de los aislamientos de los materiales), los arcos pueden ocurrir durante las sobretensiones temporales. Falla por aislamiento de los materiales. Procedimientos impropios de trabajo. Mala utilización o diseño de los equipos. 1.3 Naturaleza del Arco Eléctrico El arco eléctrico produce algunas de las mayores temperaturas conocidas que ocurren en la tierra, alrededor de 19,426 C. El intenso calor del arco causa la expansión súbita del aire. Esto resulta en una explosión con muy alta presión del aire. Todos los materiales conocidos son evaporizados a esta temperatura. Cuando los materiales son evaporizados, estos se expanden en volumen (por ejemplo el Cobre 67,000 veces y el Agua 1670 veces). La explosión puede propagar el metal derretido en el aire a mayores distancias con gran fuerza. En la siguiente figura se muestra el arco eléctrico entre dos terminales y se describen cada consecuencia al ocurrir dicho arco. Arco Eléctrico 1. Calor a F 2. Vapor de cobre, se expande veces 3. Fusión de metales 4. Luz intensa 5. Aire caliente con rápida expansión 6. Ondas de presión 7. Ondas de sonidos 8. Partículas Figura 1.1 Naturaleza del Arco Eléctrico 11

13 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico 1.4 Riesgos por Arqueo de una Falla Algunos de los riesgos del arqueo de una falla son las siguientes: Calor. Quemaduras fatales pueden ocurrir aun cuando la víctima se encuentra a cierta distancia del arco. Serias quemaduras son comunes hasta una distancia de 3 metros. Objetos. El arco puede producir una explosión a una alta presión que libera los metales en forma de gota o fragmentos que podrían penetrar el cuerpo humano. Presión. Origina una explosión que puede lanzar a los trabajadores, desmayándolos y la presión en el pecho puede ser mayor a 140 kg/cm 2. Ropa. La ropa se quema a varios metros. Las áreas del cuerpo humano cubiertas por la ropa, pueden sufrir quemaduras más severas que la piel expuesta. Pérdida auditiva por explosión sonora. El sonido puede tener una magnitud hasta de 140 db a una distancia de cm del arco a) Mano quemada por arco eléctrico b) Áreas quemadas donde hubo contacto de la ropa con la piel Figura 1.2 Quemaduras ocasionadas por arco eléctrico 12

14 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico 1.5 Probabilidad de Sobrevivencia De acuerdo con estadísticas de la Asociación Americana de Quemaduras (American Burn Association) por daños de quemadura por arco eléctrico, la probabilidad de sobrevivir decrece con el incremento de la edad en la persona. Figura 1.3 Probabilidad de sobrevivencia 1.6 Impactos por arco eléctrico (arc flash) en el cuerpo humano El tratamiento de la piel puede requerir años con rehabilitación y medicamento. La victima puede no regresar a su trabajo o puede ya no tener la misma calidad de vida. Aunque no hay un costo establecido para un daño orgánico se pueden citar los siguientes costos directos: Tratamiento que puede exceder el $ pesos. Litigación por honorarios. Pérdidas de producción. 1.7 Exposición potencial al arco eléctrico Aunque los incidentes por arco eléctrico no son muy comunes, estadísticas muestran que causan daños considerables. El Buro de estadísticas laborales (Bureau of labor statistics) informa que en 1994, fueron reportados 11,153 casos por ausencia en el trabajo, debido a quemaduras eléctricas, electrocución, daños por Choque eléctrico, incendios y explosiones en los Estados Unidos de Norteamérica. El censo de daños fatales arrojó que 548 empleados han muerto debido a la exposición a la corriente de eléctrica y 6,548 por incendios y explosiones en el trabajo, esto en USA. 13

15 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico La probabilidad de la exposición al arco eléctrico depende de lo siguiente: Número de veces que los trabajadores se ubican cerca de equipo energizado. Complejidad de la tarea a desarrollar, necesidad de utilizar la fuerza, espacio márgenes de seguridad disponible y otros. Vestimenta, destreza mental, habilidades físicas, coordinación con el ayudante. Herramientas usadas. Condiciones de equipo. 1.8 Frontera de protección Las cuatro fronteras de protección son: 1. Frontera de protección del arco. Es cuando se puede dar un arco eléctrico por destello, un límite de aproximación a una distancia de una posible fuente de arco dentro de la cual una persona puede recibir una quemadura de segundo grado por arco eléctrico. La energía incidente de 1.2 Cal/cm 2 es mayor a 0.1 seg. Es un valor considerado para un umbral de una quemadura de segundo grado. 2. Frontera de aproximación limitada. Una aproximación limitada es una distancia de una exposición de una conductor eléctrico o parte de una circuito dentro del cual existe peligro por choque eléctrico 3. Frontera de aproximación restringida. Es la distancia a una exposición de un conductor eléctrico energizado o parte del circuito en el cual se incrementa el riesgo por choque eléctrico debido a un arco eléctrico combinado por movimiento inadvertido del personal que está trabajando en una proximidad cerrada al conductor energizado o parte del circuito. 4. Frontera de aproximación prohibida. Es una distancia a un conductor expuesto energizado o parte del circuito en el cual el trabajo es considerado en contacto con el conductor expuesto energizado o parte del circuito 1.9 Métodos de cálculo Los cálculos de riesgo por arco se realizan por varios métodos. La elección del método puede ser basada en la información obtenida por el volumen del cálculo de trabajo, necesidad de precisión, disponibilidad de los recursos y del riesgo por arco eléctrico. Cualquier método que sea usado, será desarrollado por una persona calificada, que deberá evaluar las limitantes de los métodos empleados y además deberá desarrollar el análisis de ingeniería. 1. La tabla (C)(9) de la NFPA 70E-2004 [11] provee un simple camino para determinar categoría del riesgo sin embargo estas tablas simplificadas, es un método usado para pequeños sistemas radiales. y es el último en cuanto al grado de precisión porque es muy generalizado ya que las tablas no proveen con exactitud el rango de cal/cm 2 requerido para el equipo de protección personal. 14

16 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico 2. Cálculos manuales. Se pueden desarrollar cálculos manuales utilizando las ecuaciones de la NFPA 70E-2004 [11] y la IEEE 1584 [7], para sistemas de distribución radiales pequeños. 3. Hojas de cálculo. El estándar IEEE 1584 viene con hojas de cálculo en Excel. Similares hojas de cálculo puede ser usadas con la NFPA 70E. Este calculador requiere el uso de datos de la corriente de falla por cada punto y los tiempos de disparo de equipos de protecciones por cada fuente. Este método es limitado para pequeños sistemas radiales y los errores se incrementan con el tamaño del sistema. 4. Software comercial. Este es una práctica para sistemas con múltiples fuentes y escenarios de interconexiones donde se requiere de precisión, y existan cambios todo el tiempo. Una vez que los datos son llevados al software, se realizan las corridas en poco tiempo, obteniendo resultados instantáneos. El software utilizado para el cálculo de arco eléctrico se apoya en la NFPA-70E e IEEE- 1584, donde es posible tener los resultados en una tabla, mostrando las barras colectoras del sistema eléctrico, valores de energía incidente en cal/cm 2, nivel de peligro y nivel de peligro Diferencia entre el cálculo con la NFPA 70E y la IEEE 1584 El método de NFPA 70 E estima la energía incidente basada en el valor teórico máximo de la energía disipada por una falla por arqueo (arcing fault), basado en el trabajo de Ralph Lee`s. (The other electrical Hazard, Electric Arc Blast Burns, 1985) La IEEE 1584 estima la energía con ecuaciones desarrolladas de análisis estadísticos de mediciones tomadas en pruebas y es un método que fue desarrollado, para ofrecer resultados más apegados a la realidad. Y evitar accidentes debido a una sobreprotección en los trabajadores Los accidentes con exposición al arco eléctrico puede ser reducidos por medio de: 1. Programas de seguridad. 2. Señalamientos y delimitando áreas. 3. Uso adecuado de equipo de protección personal Programas de seguridad a) Valoración del riesgo. b) Documentación. c) Equipo de protección personal (EPP). d) Desarrollo de procedimientos para minimizar riesgos. e) Entrenamiento a los trabajadores. f) Realizar mantenimientos preventivos g) Auditorias de seguridad. 15

17 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico h) Plan de seguridad corporativo Pasos para el cálculo del arco eléctrico 1. Recolección de datos del sistema e instalaciones. 2. Determinar los modos de operación del sistema. 3. Determinar las corrientes de falla (bolted fault currents). 4. Determinar las corrientes de falla por arqueo (arc fault currents). 5. Tener las características de los equipos de protección así como el tiempo de duración del arco. 6. Documentar los voltajes y clases de equipo. 7. Seleccionar las distancias de trabajo. 8. Determinar la energía incidente para todos los equipos. 9. Determinar las fronteras de protección por arqueo.(flash-protection boundary) para todos los equipos. El arco eléctrico se puede calcular por medio de la IEEE 1584 y la NFPA 70E. A continuación se enunciaran las fórmulas de cada uno de estos estándares Cálculo con Estándar IEEE IEEE Std Las siguientes ecuaciones empíricas para la evaluación del arco eléctrico fueron desarrolladas por la IEEE Standard , por un grupo de trabajo del arco eléctrico. Estas ecuaciones están basadas en resultados de pruebas aplicables en las siguientes condiciones. PARAMETRO Tensión del sistema (kv) Frecuencia (Hz) Corriente de falla (ka) Distancia entre electrodos (mm) Tipo de envolvente de equipo Tipo de tierra Fases RANGO APLICABLE a 15 kv en sistema trifásico 50 o 60 Hz 0.7 a 106 ka 13 a 152 mm Abierto al aire, caja, tablero, cables. No aterrizado, aterrizado, alta resistencia a tierra 3 Fases de Falla Paso 1. Estimar la Corriente de Arco Tabla 1.1 Parámetros y rangos Para sistemas de baja tensión (<1 kv), la corriente de arco eléctrico está dada por la siguiente ecuación: Lg I a = {K (log(i bf )) V G V (log(i bf )) G(log(I bf ))}...(1.1) Dónde: log = logaritmo 16

18 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico Ia = Corriente de arco (ka) K = 0.153; configuración abierta K = 0.097; configuración en caja Ibf = Corriente de falla franca trifásica (ka) V = Voltaje del sistema. (kv). G = Distancia entre conductores (mm). Para tensión media (>1 kv), la corriente de arco está dada por la ecuación:. lg Ia = { log (Ibf )...(1.2) En alta tensión existen casos donde no distingue entre una configuración abierta o cerrada. Convirtiéndose quedando la fórmula así: Ia = 10 lgibf Paso 2. Cálculo de la energía incidente Esta ecuación toma el dato normalizado para un tiempo de arco de 0.2 segundos y una distancia hacia una persona de 610 mm a un punto posible de arco. log En = K1 + K (log(ia )) G (1.3) Dónde: En = Energía incidente normalizada (J /cm 2 ) para un tiempo y distancia. K1 = ; configuración abierta. = ; configuración en caja. K2 = 0; Sistemas no aterrizados y con una alta resistencia a tierra. = ; sistemas aterrizados. G = Distancia entre conductores. (mm). Ver tabla 3.3 en anexo 3. Paso 3. Estimación de la energía incidente. E = Cf En (t/0.2) (610 x / D x )...(1.4) Dónde: E = Energía incidente (J / cm 2 ) Cf = Factor de Cálculo (Calculation factor) = 1.0; tensión > 1kV = 1.5; tensión < 1kV En = Energía incidente normalizada t = Tiempo de arco (segundos) D = Distancia posible del origen del arco a una persona (mm) x = Es el exponente de la distancia. Ver Tabla 3.3 en el anexo

19 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico Paso 4: Frontera de protección contra arco Frontera de protección contra arco es la distancia de una parte viva expuesta, al cual una persona sin equipo de protección personal puede recibir una quemadura de segundo grado curable. DB = (4.184CfEn (t/0.2)(610 X / EB) ) 1/X Dónde: DB = Es la distancia de frontera del punto de arqueo (mm) Cf = Factor de cálculo = 1.0; voltage > 1 kv = 1.5; voltage < 1 kv En = Energía incidente normalizada. EB = Energía incidente en (J/cm 2 ) a una distancia de frontera. t = Tiempo de arco (segundos). x = Es la distancia, exponente.ver tabla 3.3 en anexo 3. Ibf = Corriente de falla franca (ka). EB puede ser 5.0 J/cm 2 personal. para una piel o dentro del rango del equipo de protección 1.15 Cálculo con NFPA 70E Arco eléctrico A continuación se muestra parte del anexo D de la NFPA 70E 2004 que no es parte de los requerimientos de la NFPA 70E pero se incluye como información. Figura 1.4 Límite de protección de arco 18

20 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico Ecuaciones básicas para calcular las distancias de la frontera de protección contra arco eléctrico Dc = [2.65 x MVA bf x t] 1/2 D c = [53 x MVA x t] 1/2 Dónde: Dc = Distancia en pies de la persona a la fuente de arco para una quemadura curable (por ejemplo: la temperatura de la piel se mantiene a menos de 80 grados). MVAbf = MVA del punto de falla. MVA = MVA nominales del transformador. Para transformadores con valores nominales menores de 0.75 MVA, multiplique los MVA nominales del transformador por t = Tiempo de exposición al arco en segundos. El tiempo de liberación de la falla para un fusible limitador de corriente es de aproximadamente ¼ de ciclo o segundos si la corriente de arco esta dentro del rango de su capacidad de limitación de corriente. Ver figura 3.4. El tiempo de liberación de la falla de la unidad de disparo para un interruptor automático de 5 kv y 15 kv es aproximadamente 0.1 segundos o 6 ciclos si la función instantánea esta habilitada. Esto se puede desglosar de la siguiente manera: tiempo real del interruptor (aproximadamente 2 ciclos), más el tiempo de operación del relevador de aproximadamente 1.74 ciclos, más un margen de seguridad de 2 ciclos, que es tiempo total de aproximadamente 6 ciclos como se muestra en la figura 1.5. Figura 1.5 tiempo de liberación de falla 19

21 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico Cálculo de la exposición a la energía incidente para el análisis de peligro de arco eléctrico Los parámetros necesarios para hacer el cálculo son: 1. Máxima corriente de falla de cortocircuito trifásico sólido en el equipo y el mínimo nivel de falla en el que el arco se sostendrá. Para sistemas de 480 Volts, la industria aceptó como mínimo para sostener una falla de arco el 38% de la posible corriente de falla de cortocircuito trifásico. 2. El tiempo total de liberación del dispositivo de protección a la máxima corriente de cortocircuito y al mínimo nivel de falla en el cual el arco se auto sostendrá. 3. La distancia del trabajador a la posible fuente de arco para la tarea que va a realizar se indica en la tabla 3.2 anexo 3. Arco abierto al aire libre 600 volts E MA = (5271) D A t A [ F F ] Dónde: E MA = Máxima energía incidente del arco abierto, cal/cm 2 D B = Distancia a los electrodos de arco, pulgadas (para distancias de 18 pulgadas y mayores) t A = Duración del arco en segundos. F = Corriente de cortocircuito de falla trifasica, ka (para el rango de 16 ka a 50 ka) Arco en una caja cúbica (arco en caja) hasta 600 volts Esta ecuación es aplicable a relámpagos de arco que provienen de adentro de: equipos de maniobra, centro de control de motores u otros encerramientos similares de equipos eléctricos. E MB = (1038) D B t A [ F F ] Dónde: E MB = Máxima energía incidente en caja cúbica, de 508 mm por lado en, cal/cm 2 D A = Distancia a los electrodos de arco, pulgadas (para distancias de 18 pulgadas y mayores) t A = Duración del arco en segundos. F = Corriente de cortocircuito de falla sólida, ka (para el rango de 16 ka a 50 ka) Las Típicas distancias utilizadas al aire libre o en caja, para el cálculo de la energía incidente se muestran en la tabla 3.2 del anexo 3. 20

22 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico 1.16 Energía incidente a tensión superior a 600 V para el análisis de peligro de arco Energía incidente producida por un arco trifásico abierto en sistemas con valores nominales superiores a 600 V. E = 793x F x V x t A / D 2 E = Energía incidente, cal/cm 2 D = Distancia a la fuente de arco, pulgadas. t A = Duración del arco en segundos. F = Corriente de cortocircuito de falla sólida, ka V = Tensión de fase a fase del sistema, kv Equipo de protección El equipo de protección personal es requerido por normas y estándares como NOM 017- STPS-2001, la NFPA 70E 2004 y la OSHA, para proteger a los trabajadores de los peligros en los lugares de trabajo. El tipo de equipo de protección personal requerido depende del peligro que ha sido documentado y determinado. En el caso del peligro por arco eléctrico, el propósito principal del equipo de protección personal es reducir el daño al trabajador a un nivel de una quemadura curable NOM-017-STPS-2001 El Objetivo de esta norma es: Establecer los requisitos para la selección, uso y manejo de equipo de protección personal, para proteger a los trabajadores de los agentes del medio ambiente de trabajo que puedan dañar su salud. La norma contempla las obligaciones del patrón: - En las cuales debe de mostrar a la autoridad del trabajo, los documentos que la norma solicite. - Determinar el equipo de protección personal en cada puesto de trabajo de acuerdo al análisis de riesgos de la tabla A1 de la Nom-017-STPS Dotar a los trabajadores de EPP certificado, así como la reposición de este cuando lo amerite. - Comunicar a los trabajadores sobre los riesgos a los que están expuestos. - Proporcionar a los trabajadores la capacitación y adiestramiento para el uso del EPP. También la Norma contempla las obligaciones del trabajador como: - Participar en la capacitación y adiestramiento. - Utilizar el EPP, así como revisar las condiciones del EPP al iniciar, durante y al finalizar el uso. Procedimientos para el equipo de protección personal. Los procedimientos deben de basarse en las recomendaciones, instructivos, procedimientos o manuales del fabricante, proveedor o distribuidor del equipo. Y Deben de contener su uso, limitaciones, reposición, mantenimiento, revisión, limpieza y resguardo. 21

23 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico NFPA 70E 2004 [11] Es un Estándar para la Seguridad Eléctrica en los lugares de trabajo y fue preparada por el Comité Técnico de Seguridad Eléctrica en los Lugares de trabajo por la National Fire Protection Association (NFPA). La NFPA desarrolló una norma para instalaciones eléctricas compatible con los requisitos de OSHA para la seguridad del empleado en los lugares incluidos dentro del NEC. En el entendimiento de que no tiene el propósito de que se aplique como una norma de diseño, instalación o modificación o construcción para una instalación o sistema eléctrico. Su contenido es para aplicarlo a una instalación eléctrica o a un sistema eléctrico como parte del lugar de trabajo de un empleado. Esta norma es compatible con las estipulaciones correspondientes de la NOM Y NEC pero no tiene el propósito, ni puede, utilizarse en lugar de estas. La NFPA 70E tiene el propósito para que la usen: empleadores, empleados y OSHA. A continuación se presentan los siguientes artículos de la NFPA 70E NFPA 70E (B) La ropa de protección para la aplicación con el análisis de peligro de arco eléctrico. Donde ha sido determinado que el trabajo se realizara dentro de la frontera de protección del relámpago de acuerdo a (A), uno de los siguientes métodos deberá de ser usado para la selección de la ropa de protección y del equipo de protección personal. 1. Análisis de energía incidente. Este análisis determinará la energía incidente a la cual el trabajador estará expuesto (en calorías por centímetro cuadrado) y será documentada por al patrón [...] 2. Categorías de Riesgo / peligro. De acuerdo a los requerimientos de (C) (9), (C) (10), (C) (11.) [...] (pag26) de referencia [11] NFPA 70E 2004 Equipo de protección personal y otros (sección 130.7). (A) General. A los empleados que trabajan en áreas donde hay peligros eléctricos, se les deberá proveer y deberán usar, equipo de protección que esté diseñado y construido para la parte específica del cuerpo que se va a proteger y para el trabajo a realizar. FPN No. 1 el equipo de protección personal requerido de está previsto para proteger a las persona de un arco por destello y peligro de choque eléctrico. Aun con el equipo de protección seleccionado pueden resultar en quemaduras en la piel pero estas heridas serán reducidas y se tendrá la posibilidad de sobrevivir. El EPP requerido de no protege contra traumas físicos u otro que se pueda presentar por efectos térmicos del arco eléctrico. FPN No. 2 Cuando la energía incidente excede los 40 cal/cm 2 en la distancia de trabajo, se dará un gran énfasis a desenergizar, antes de trabajar dentro de la frontera de límite de aproximación de exposición eléctrica a los conductores o partes del circuito [...] (pag28) de referencia [11] (B) Cuidado del equipo. [...] El equipo de protección se mantendrá en áreas seguras y confiables. El equipo deberá inspeccionarse visualmente antes de usarlo. 22

24 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico (C) Equipo de protección personal. (1) General. Todas las partes del cuerpo dentro de la frontera de protección deberán ser protegidas. (2) Movimiento y visibilidad. Cuando la ropa resistente a la flama es usada para proteger al empleado, deberá de cubrir toda la ropa que se puede quemar y permitir el movimiento y la visibilidad. (3) Cabeza, cara, cuello y barbilla (área de protección de la cara). Los empleados deberán usar equipo de protección no conductivo para la cara, cuello y barbilla siempre que exista peligro por daño a la exposición de arcos eléctricos. Si los empleados usan redecillas y/o redes en la barba, estos deberán ser resistentes a la flama. (4) Protección de Ojos. Deberá utilizarse siempre que exista riesgo por daño a la exposición de arcos eléctricos, destellos o por objetos que vuelen como resultado de una explosión eléctrica. (5) Protección del cuerpo. Los empleados deberán vestir ropa resistente a la llama siempre que exista la posibilidad de exposición a relámpago de arco por encima del umbral del nivel de energía incidente para una quemadura de segundo grado 5 J/ cm 2,1.2 cal/cm 2. [...] (pag28) FPN : Esta ropa puede ser suministrada como un traje de arco eléctrico con chaqueta playeras, pantalones o como overoles con una combinación de chaqueta y pantalón o para incrementar la protección, como overoles con chaqueta y pantalón. (6) Protección de las manos y brazos. [...] Como se muestra abajo, deberá de proveer acorde con (a) (b) y (c). (a) Protección de choque. Empleados deberán usar guantes de caucho con cuero protector donde hay peligro de daño en la mano por choque. [...] (b) Protección por arco. [...] (c) Mantenimiento y uso. El equipo de protección personal deberá estar mantenido con seguridad y ser confiable. El equipo aislado deberá ser inspeccionado antes de cada día de uso e inmediatamente después de haber recibido energía incidente que pueda haber causado daño. Además el equipo de protección personal deberá ser sujeto a pruebas eléctricas periódicas. (7) Protección de pies. Zapatos dieléctricos son requeridos. Contra la protección de potencial de paso y de contacto. Las suelas aisladas no tienen el propósito de ser utilizadas como protección eléctrica principal. [...] (pag29) (8) Estándares de equipo de protección personal. [..] (9) Selección de equipo de protección personal para diversas tareas. Donde sea seleccionado el equipo de protección personal y no se realice el análisis de energía incidente de acuerdo a (B) (1), deberá usarse la tabla 23

25 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico (C) (9) de NFPA 70E 2004, para determinar la categoría el riesgo/peligro y los requisitos para el uso de los guantes aislados de caucho, de las herramientas aisladas de mano y aisladores para una tarea. [...] (pag30) (10) Matriz de Ropa de protección y equipo de protección personal. Una vez que la categoría de riesgo / peligro ha sido identificada de la tabla (C)(9) incluyendo notas asociadas y requerimientos de (C)(9). La tabla (C)(10) lista los requerimientos para la ropa y otros equipos de protección personal basados en la categoría de riesgo / peligro del 0 al 4. Esta ropa y equipo deberá ser usado cuando se trabaje dentro de la frontera de protección contra arco..[...] (pag34) (11) Características de la ropa de protección. La tabla (C)(11) lista ejemplos y características típicas de la ropa de protección incluyendo el grado de protección para varias ropas..[...] (pag.37). Ver tabla 1.2 Categoría peligro/riesgo Descripción de la ropa Materiales no fundentes, inflamables, (p.e., 0 algodón no tratado, lana, rayón o ceda, o combinaciones de estos materiales) con un peso mínimo de 4.5 oz/yd 2 1 Camisa y pantalones u overol RF (Retardarte al fuego) 2 Camisa y pantalones u overol RF (Retardarte al fuego) 3 Camisa y pantalones u overol RF (Retardarte al fuego) y traje de arco, seleccionado de modo que el arco del sistema, cubra lo mínimo requerido. 4 Camisa y pantalones u overol RF (Retardarte al fuego) y traje de arco, seleccionado de modo que el arco del sistema cubra lo mínimo requerido. pag. 37 NFPA 70E 2004 tabla Nivel mínimo de protección al arco requerido de EPP [j/cm 2 (cal/cm 2 )] N/A 16.74(4) (8) (25) (40) TABLA 1.2 Características de la ropa de protección OSHA Por sus siglas en ingles OSHA (Occupational Safety and Health Administration). Es una agencia que forma parte del departamento de trabajo de los Estados Unidos de America (E.U.A.) Esta se creó en 1970 con el fin de ayudar a los empleadores y a los empleados a eliminar o disminuir las lesiones, las enfermedades y las muertes laborales en los E.U.A. La agencia incita a empleadores y empleados a reducir riesgos de trabajo y promover nuevas gestiones de seguridad y salud o a mejorar los ya existentes. 24

26 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico Desarrolla normas obligatorias de salud y seguridad laborables y las aplica mediante inspecciones. Promueve ambientes laborales seguros y sanos mediante alianzas y asociaciones y programas cooperativos. Establece responsabilidades de los empleadores y empleados con el fin de lograr mejores condiciones de seguridad y salud. Apoya el desarrollo de formas innovadoras de resolver peligros en el lugar de trabajo. Ofrece sistema de informes y registros con el fin de monitorear lesiones y enfermedades asociadas con el trabajo. Programas de formación con el fin de aumentar la pericia del personal de seguridad y salud ocupacional. Brinda ayuda técnica y para la conformidad así como formación y educación Colaboradora con los estados que dirigen sus propios programas de seguridad y salud ocupacionales. Apoya el servicio de consulta. La OSHA en su sección 1910 establece que el empleador deberá asegurar que cada empleado expuesto a arcos eléctricos no deberá usar ropa que pueda incrementar los daños por arco Ropa resistente a la flama por arco eléctrico Chaqueta (Jacket). Éstos son generalmente de varias capas y son como las camisas de varias capas. Véase cuadro 1.6 (a) Babero (Bib overall): El babero o jardineros de trabajo con pechera usados con una camisa proveen una protección más alta al área del pecho que una camisa usada con pantalón. Véase figura 1.6 (b). Pantalón y camisa (pants/shirt). Las camisas y los pantalones se pueden utilizar para la energía incidente de 4.0 cal/cm 2 o abajo. Éstos pueden ser de varias capas para un grado más alto del arco. Overol (overalls). Son trajes de una sola pieza equivalentes a la camisa y pantalón. Ropa interior/undergarment: Éstos pueden llevar camisas, chaquetas o pantalones debajo. Ellos proporcionan una capa extra de protección. Con la Ropa de multicapas es más flexible y fácil de trabajar ya que se atrapa el aire proporcionando un aislamiento térmico adicional. La combinación de ropa interior /undergarment con una camisa aumenta el rango de protección. 25

27 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico Figura 1.6. Ropa retardante. (a) Chaqueta (b) Babero total (Bib-overall) (c) Traje completo de arco Capucha (Hood). La capucha es parte del sombrero, tiene protección de la cara y tiene tela retardante al fuego cubriendo la cabeza, los oídos, el cuello y los hombros. Véase figura 1.6 (c), Otros equipos de protección personal. Guantes. Los guantes proporcionan el aislamiento a la electricidad y el calor. Una combinación de caucho (usado adentro) y de materiales del cuero (usado afuera) se utiliza típicamente. Los guantes deben ser suficientemente largos para cubrir las mangas Clasificación por Tensión de guantes Máxima Tensión Prueba en kv Clase V 2.5 Clase 0 Clase 1 Clase 2 Clase 3 Clase V V V V V 40 Tabla 1.3 Clasificación por tensión de guantes 26

28 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico Botas. El cuero de trabajo pesado de los zapatos proporciona protección contra el arco eléctrico a los pies y deberán usarse en todas las tareas de categoría 2 en peligro/riesgo y mayores y en energía incidente mayor que 4 cal/cm 2. pag 70E-38. NFPA 70E 2004 Visores de protección contra arco eléctrico. Están diseñados para proteger de niveles bajos de energía incidente por peligro de arco eléctrico. El visor cuando es usado en conjunto con una capucha provee una protección de riesgo peligro categoría 2 (HRC2) arriba de 12 cal/cm 2 de acuerdo a la NFPA 70E. Hot stick: La pértiga es utilizada para operar fusibles e interruptores. Proporcionan un aislamiento con respecto a las partes de alta tensión manteniendo una distancia de trabajo aumentada, de modo que la energía incidente sea menor. La Manta de Supresión de arco: Esto proporciona una barrera de la llamarada del arco. Las Orejeras: La explosión del arco puede causar las lesiones severas de oido. Deben llevarse las orejeras para proporcionar el aislamiento al sonido y reducir el impacto. Las Barreras mecánicas: Proporcionan protección de la radiación térmica así como de la presión de la explosión. Estas pueden ser usadas para las radiaciones de calor extremas, pero no es conveniente para otro trabajo. Herramientas aisladas. Los empleados deberán usar herramientas aisladas y/o equipos de manipulación cuando trabajen dentro de la frontera de aproximación limitada donde la exposición a partes del circuito o conductores eléctricos energizados puedan tener contacto con las herramientas o equipos de manipulación de forma accidental. pag. 70E-39 NFPA 70E 2004 Figura 1.7 Guantes de cuero/caucho y visor de policarbonato 27

29 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico Figura 1.8 Capucha, chaqueta y Jardineros de Trabajo (Bib-overall) Figura1.9 Traje de arco eléctrico Capucha, guantes aislantes y overol (overall) Figura 1.10 Traje de arco eléctrico. Capucha, guantes aislantes y overol (overall) 28

30 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico Figura 1.11 Traje de arco eléctrico y overol. 29

31 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico 2.0 Cortocircuito Importancia del estudio de cortocircuito Los estudios de cortocircuito en las redes eléctricas, permite obtener información valiosa para minimizar los efectos de las fallas; el cortocircuito es una situación indeseable en un sistema eléctrico pero que lamentablemente se puede presentar eventualmente. Un cortocircuito: se puede dar por; una falla de aislamiento, por envejecimiento prematuro, alguna maniobra errónea, etc. Y en estas condiciones se debe de conocer las magnitudes de las corrientes de cortocircuito. En forma general se puede decir que un estudio de cortocircuito da información que permite: 1. Determinar las capacidades interruptivas de los elementos de desconexión (interrupción) de las corrientes de cortocircuito como son interruptores, fusibles, restauradores y fusibles de potencia principalmente. 2. Seleccionar y coordinar los dispositivos de protección contra las corrientes de cortocircuito. 3. Hacer los estudios térmicos y dinámicos debidos a los efectos de las corrientes de corto circuito en algunos elementos de las instalaciones como son sistemas de barras, tableros, cables de fase aislada, etc. 4. Relacionar los efectos del cortocircuito en la estabilidad de las redes eléctricas en sistemas de potencia. Un estudio de cortocircuito se inicia siempre con un diagrama unifilar del sistema por estudiar donde se indiquen todos los elementos que van a intervenir, especialmente las fuentes y elementos pasivos donde los valores de potencia, tensiones e impedancias son importantes. 2.1 Diagrama unifilar. Es aquel que indica por medio de líneas sencillas y símbolos, la interconexión y partes componentes de un circuito o sistema eléctrico. El propósito de un diagrama unifilar es el de suministrar en forma concisa información significativa acerca del sistema. La importancia de las diferentes piezas de un sistema varía con el problema bajo consideración, y la cantidad de información que se incluye en el diagrama depende del propósito para el que se realiza. La claridad y facilidad de lectura de los diagramas unifilares son causa de su gran utilización en el proyecto, construcción y operación de instalaciones eléctricas. 30

32 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico Al elaborar los datos para el cortocircuito, el primer paso es desarrollar un diagrama unifilar del sistema eléctrico. En un sistema trifásico equilibrado, la impedancia del circuito para cada fase es igual que para las otras dos fases. Esta característica simétrica se aprovecha, dibujando el sistema eléctrico como; un sistema monofásico. Se refiere este diagrama a una sola-línea. Los símbolos estándar de ANSI Y (IEEE Std ) [10], de IEC 117 y en la Norma Mexicana NMX-J-136 [18], se utilizan para representar los diferentes equipos y elementos del diagrama unifilar. El diagrama unifilar incluirá todas las fuentes de cortocircuito, (Acometida, generadores, motores síncronos, motores de inducción, condensadores.), y todos los elementos del circuito significativos, (transformadores, cables, disyuntores, fusibles.). 2.2 Simbología Batería de Una Celda Bobina en derivación.- Contactor de Operación Manual.- 1 Polo 2 Polos Desconectador Doble Tiro.- Fusible Interruptor con Elemento Magnético de Sobrecarga.- Pararrayos Transformador Figura 2.1 simbología utilizada en diagramas unifilares. 31

33 Capítulo I. Conceptos para el Estudio de Arco Eléctrico 2.3 Definición de Cortocircuito Un cortocircuito se presenta cuando existe contacto entre dos o más conductores, entre los cuales hay una diferencia de potencial como, puede ser entre fases o fase a tierra, de distinta fase o entre un conductor de fase a tierra teniendo una impedancia cero. Los cortocircuitos normalmente aumentan en forma considerable la magnitud de la corriente de los circuitos eléctricos. Este fenómeno del cortocircuito representa una condición de las más severas a la que se puede ser sometida una instalación eléctrica ya que en su manifestación más acentuada produce efectos térmicos y efectos dinámicos que en ocasiones se presentan con tal violencia que pueden provocar la destrucción mecánica de las maquinas e inclusive de los materiales. Según la construcción de la red tal sobrecorriente se distribuye entre distintas partes de la red y en forma análoga se puede decir de las sobrecargas, si se considera que el nivel de la corriente de falla puede alcanzar valores de 10 a 20 veces la corriente nominal, se puede inferir la importancia que tiene una protección adecuada y selectiva que evite consecuencias desastrosas en las instalaciones eléctricas. 2.4 Corrientes simétricas y asimétricas Simétrica es toda aquella forma, figura o señal en la cual se puede trazar un eje horizontal o vertical y ambas mitades son iguales. Cuando las mitades son diferentes, entonces se dice que son asimetricas Las corrientes simétricas se describen como el desplazamiento de las ondas de c.a con respecto al eje cero. Este término se aplica a c.a únicamente. Fig 2.2. Las corrientes asimétricas (aplican únicamente a c.a) es aquella que tiene una onda senoidal fuera del eje de simetría debido a una componente de c.d sobrepuesta. Una corriente asimetrica dara como resultado mayores valores de corriente de cortocircuito que una corriente simetrica. Envolventes de la onda senoidal simétricos con respecto al eje cero Eje cero Onda de c.a. simétrica Figura