PAPER. Instituto de Protecciones de Sistemas Eléctricos de Potencia Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Río Cuarto

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1 Title PROTECCIÓN PERSONAL POR ARCO ELÉCTRICO EN SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN, MEDIANTE LA SELECCIÓN DEL FUSIBLE DE ALTA CAPACIDAD DE RUPTURA Registration Nº: (Abstract) Instituto de Protecciones de Sistemas Eléctricos de Potencia Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Río Cuarto Authors of the paper Name Country Juan Carlos Gómez Argentina Juan Carlos Amatti Argentina Germán Ramiro Zamanillo Argentina Daniel Humberto Tourn Argentina Key words Protección personal, Arc Flash, Fusible alta capacidad de ruptura, Indumentaria protectora RESUMEN En la actualidad se encuentra en discusión el tema del riesgo al personal frente al arco eléctrico (arc flash) debido al elevado número de accidentes con consecuencias serias sufridos por el personal de las empresas distribuidoras. Se presenta un estudio detallado del fenómeno de arco desarrollado en ambientes en los cuales trabajan operarios o puede haber presencia eventual de personas, analizando los riesgos, por quemaduras, heridas, sordera - ceguera y sobrepresiones. Se adopta a la energía incidente como indicativa de riesgo. La protección se basa en tres premisas: control de la energía liberada por el arco, suministrar medios para la liberación de ella sin riesgo y control de la energía incidente sobre el personal mediante el uso de indumentaria protectora. En el artículo se describen las tres metodologías y se trata el procedimiento de coordinación entre las citadas metodologías, considerando específicamente el control de la energía de arco suministrado por los fusibles e interruptores de alta capacidad de ruptura (limitadores de corriente) y como se selecciona el tipo de indumentaria protectora en base a la energía que se deja pasar. Se analizan las ventajas y desventajas del incremento o decremento del control del arco con respecto al cambio de tipo de la indumentaria protectora. Se describen en detalle las normas Norteamericanas respectivas a esta problemática, que son las más aplicadas a nivel mundial. Se concluye en que la realización de un adecuado estudio de coordinación entre elementos de control de las consecuencias del arco, es ampliamente justificable frente a la reducción del riesgo al personal. I. INTRODUCCIÓN En la actualidad se encuentra en discusión el tema del riesgo al personal frente al arco eléctrico (arc flash) debido al elevado número de accidentes con consecuencias serias sufridos por el personal de empresas distribuidoras e industrias en general [1, 2, 3]. El 80 % de las heridas al personal por accidentes eléctricos son quemaduras debidas a la energía radiante y convectiva proveniente del arco eléctrico. Una persona de mediana edad, solo tiene el 50 % de probabilidad de sobrevivir si tiene quemada más del 75 % de su piel. La manera actual de protegerse del arco eléctrico es a través de tres medidas: 1 / 7

2 - Donde puedan presentarse arcos eléctricos abiertos, no debe transitar el personal. - El segundo nivel de protección se logra manteniendo la energía del arco confinada en un recinto cerrado u orientando la energía en su salida al exterior sin riesgo para el personal. - El tercer nivel, motivo de este trabajo, tiene lugar cuando el personal debe operar equipamiento sin la protección dada por el confinamiento (gabinetes abiertos). El mayor riesgo de ocurrencia se presenta cuando se efectúan acciones (movimientos) físicas en equipos, por ejemplo: - Cierre y apertura de interruptores - Apertura y cierre de puertas - Colocación o extracción de cubiertas - Inserción y retiro de equipos - Instalación de equipos de prueba y de tierras de seguridad - Mantenimiento y mediciones en el sistema, etc. Muy raramente se presenta un arco eléctrico durante la operación normal del equipo. Desde la década del 1980 se trabaja en la cuantificación del grado del riesgo al personal expuesto (sin la protección por confinamiento), y de su protección mediante el uso de elementos protectores (PPE, Personal Protective Equipment, que se trata de ropa, guantes, casco, visera, etc.). Como el operario realiza tareas muy variadas a lo largo de su turno, debe emplearse la indumentaria adecuada para la tarea más riesgosa, o cambiarse en función de la tarea. En general el término PPE se refiere a indumentaria, cascos, guantes, máscaras, antiparras, partes acolchadas, blindajes u otros equipos o dispositivos de protección personal, destinados a proteger al cuerpo del portador contra posibles lesiones o heridas. La Figura 1 muestra un ejemplo de estos elementos. Figura 1, Equipos varios de protección personal. Cualquier elemento de protección ofrece una barrera entre el cuerpo del portador y el ambiente de trabajo, por lo que le presenta al portador molestias o esfuerzos adicionales, que reduce su habilidad para llevar a cabo las tareas, creando niveles significantes de molestia o falta de confort, situación que desincentiva el uso correcto 2 / 7 de tales elementos, poniendo al personal en riesgo. Los buenos diseños ergonómicos ayudan a minimizar estos inconvenientes, elevando la seguridad y sanidad del trabajo, favoreciendo el empleo adecuado de los PPE. El objetivo del presente trabajo es presentar una metodología para disminuir el riesgo personal, mediante el empleo conjunto de métodos de control de la energía liberada en el arco y por ende de la energía incidente, coordinados con el uso de equipamiento de protección adecuado. O sea se limita la energía incidente sobre el operario por medio del control de la energía liberada y con la correcta selección de la indumentaria. II. ESTUDIO DEL ARCO ELÉCTRICO El aire, en condiciones normales es un muy buen aislante eléctrico, sin embargo bajo condiciones tales como altas temperaturas y altos campos eléctricos, puede romperse ese aislante y el aire se convierte en un buen conductor de la corriente eléctrica. La conducción en estas condiciones se realiza a través del arco eléctrico. El arco eléctrico se forma cuando se establece la circulación de corriente entre dos conductores (electrodos), en un espacio que previamente fue aire (o algún otro aislante) y ahora está compuesto por partículas ionizadas y vapores provenientes de los electrodos. La mezcla de materiales a través de la cual circula la corriente del arco eléctrico se denomina plasma. El arco causado por la falla eléctrica, en presencia de cortocircuitos en circuitos y en equipos eléctricos es una enorme fuente de potencia [4]. La principal característica física que hace que el arco sea altamente peligroso es su temperatura, la cual puede alcanzar K en la región de los conductores (ánodo y cátodo) y K en la columna. La elevada temperatura del arco eléctrico genera radiación de calor que puede ocasionar quemaduras graves aún a distancias de varios metros. La cantidad de energía del arco depende de la tensión y corriente que lo producen, ya que el arco posee la característica de ser puramente resistivo. La localización del arco, en lo que se refiere a la impedancia intercalada con la fuente ideal es de gran importancia desde el punto de vista de la energía liberada, ya que por ejemplo en baja tensión (220/380V) la corriente de falla puede variar desde fracciones de ka en los tomacorrientes de un usuario hasta 50 ka o más en bornes del transformador de alimentación, como se muestra en la Figura 2.

3 Si la operación de interrupción de la corriente de falla se realiza rápidamente, incluso llegando a interrupción sub-cíclica, se logra una reducción importante de la energía liberada. Figura 2, Variación de la corriente de falla en un sistema de distribución en 220/380 V. Por otra parte, la regulación propia del sistema (caída de tensión en la impedancia) genera un descenso importante de tensión, como se muestra en la Figura 3, lo que reduce considerablemente la energía liberada por el arco. I V Figura 3, Corriente y tensión de una falla. Caída del 45 % La impedancia propia del arco limita la energía del mismo, fenómeno que se emplea para facilitar el corte de la corriente dentro de los interruptores, por medio del incremento de su resistencia, longitud o descenso de su temperatura. La energía liberada por el arco eléctrico está dada por: E arco = v i dt (1) El arco eléctrico es un sistema termodinámico que muestra comportamiento estocástico con fuertes cambios en el tiempo. No es posible derivar una función general de la transmisión de calor, siendo por lo tanto imposible calcular exactamente la energía incidente en base a un modelo físico simple. Las lesiones causadas por el arco eléctrico sobre una persona dependen de la cantidad de energía que ésta recibe, pudiéndose disminuir con factores tales como incrementar la distancia al arco, reducir el tiempo de duración del arco, utilizar equipos de protección personal que actúen como barreras o aislantes térmicos, etc. La energía 3 / 7 recibida por la persona es la denominada energía incidente, cuya relación con la energía liberada por el arco no es sencilla ni directa. III. CUANTIFICACIÓN DEL RIESGO DEL ARCO ELÉCTRICO La energía eléctrica suministrada por la red al arco eléctrico, se convierte en varios tipos de energía, resultando en una intensa radiación térmica, niveles sonoros y luminosos dañinos, expansión explosiva del aire que lo rodea debido al rápido calentamiento del arco de alta temperatura, y fusión / vaporización del metal de los electrodos y de partes metálicas vecinas. La onda de presión alcanza valores de kg/m 2, ruido de hasta 165 db y energías de 50 cal/cm 2. La energía incidente, que es la energía que recibe la persona, depende de muchas variables como el largo del arco, si está encerrado en un gabinete o no, si las paredes reflejan o no, de la distancia, del nivel de tensión y de corriente (importante es la impedancia o resistencia de ese arco frente al resto de la del circuito) [5]. La energía radiante y convectiva proveniente del arco puede además prender fuego la ropa que se usa normalmente (si no es la adecuada), pudiendo causarle al personal quemaduras de segundo y tercer grado. El riesgo personal generado por esta energía incidente, es: - La energía acústica de un arco eléctrico puede causar sordera temporal. - La luz de un arco eléctrico puede causar daños a la vista, incluyendo la ceguera. - La onda de presión provocada por un arco eléctrico causado por una falla puede empujar y elevar a las personas varios metros del lugar de la escena. - Las piezas desprendidas de los equipos al momento de una falla con arco eléctrico (proyectiles) pueden viajar hasta unos 400 km/h, lo que puede dañar los órganos de una persona. Del análisis de riesgo, se determina que los riesgos y efectos de la falla de arco son principalmente dependientes de: - La energía del arco eléctrico, E arco, - La potencia activa del arco eléctrico, P arco, - La duración de la falla de arco, t arco, - La distancia al arco, D. En el estudio, no se deben usar los valores eficaces para onda senoidal, ya que las ondas están muy distorsionadas, principalmente la de la tensión. En general, la energía incidente sobre el operador es:

4 E incidente = k E arco / D 2,2 (2) Donde: E incidente (cal/cm²), k = 0, pies/cm², D = distancia en pies y E arco en calorías (1 kws = 239 calorías, 1 cal/cm² = 41,8 kj/m²). La distancia entre el punto en falla y la localización del operador posee una importancia crucial, como se muestra en la Figura 4 [6]. Energía incidente cal/cm 2 distancia. Distancia al arco (pies) % de la energía total del arco/cm 2 Figura 4, Variación de la energía incidente con la Como se mostró en la ecuación (2), la exposición del personal a la energía del arco eléctrico, o sea la energía incidente, se expresa en cal/cm². Una caloría es la cantidad de energía calorífica que eleva la temperatura en un grado centígrado (de 14,5 C a 15,5 C), a 1 gramo de agua a presión normal (una atmósfera). La sensación y el efecto de la exposición a 1 cal/cm² es similar a colocar un dedo sobre la llama de un encendedor (de cigarrillos) o la llama de una vela, durante un segundo. Mediante numerosos estudios experimentales, se ha determinado fehacientemente que la exposición a una energía de 1,2 a 2 cal/cm² es el límite para que se presenten quemaduras de 2do grado (lesión irreversible) en la piel humana. Para niveles de energía inferiores a 1,2 cal/cm², prácticamente desaparece el riesgo de sufrir quemaduras de segundo grado. La Figura 5 muestra las curvas límites tolerable tiempo-temperatura de la piel humana. Figura 5, Curvas límites tolerable tiempo-temperatura de la piel humana [7]. 4 / 7 Si los niveles de energía calorífica incidente sobre el trabajador, se encuentren dentro del rango de 1,2 40 cal/cm 2, será necesario tomar medidas preventivas frente a los riesgos asociados al arco, mediante el uso de indumentaria protectora (PPE). Para niveles de energía superiores a 40 cal/cm 2, no se recomienda realizar trabajos dentro de dicha zona. La Figura 6, denominada curva de Stoll en honor a su autor, muestra la capacidad de la piel humana en soportar densidad de energía incidente en función del tiempo, considerando que no se alcanza a la quemadura irreversible o de segundo grado. Tolerancia de la piel humana a quemaduras de segundo grado. Energía incidente absorbida en cal/cm 2 Tiempo de exposición en segundos Figura 6, Tolerancia de la piel humana a la quemadura irreversible (segundo grado) [8]. Energía incidente y daño al personal: - Se adopta el nivel de energía incidente de 1,2 cal/cm2 durante 1 segundo, como umbral mínimo de quemadura de segundo grado sobre piel humana (piel sobre llama de vela por 1 s), - Si el tiempo es muy corto, la energía aumenta debido a que la piel es un buen aislante térmico, requiriendo tiempo el calor para penetrar los 80 µm a la base de la epidermis. Luego de exposiciones cortas, la superficie de la piel se enfría rápidamente mientras el calor penetra a la epidermis, reduciendo la velocidad de transferencia del calor hacia el interior, - Con exposiciones más largas, de 3 10 s, donde el bajo flujo de calor resulta en temperatura baja de la piel, la energía total de exposición requerida para producir quemaduras de segundo grado aumenta, debido al impacto de la lenta cinética de la degeneración proteica a menor temperatura de piel. Por consiguiente, la protección personal generalmente se logra limitando la energía de la exposición como también controlando la duración del arco.

5 IV. COMPORTAMIENTO DE LA INDUMENTARIA FRENTE A ENERGÍA INCIDENTE Los elementos de protección personal (PPE), principalmente la ropa protectora, son el requisito imprescindible para prevenir lesiones personales si es que existe el riesgo de exposición directa al arco. La tabla I muestra el nivel de ignición sobre una camisa normal de trabajo, en función de la energía incidente [6]. La Figura 7 muestra el efecto de la selección errónea de la indumentaria, empleando clase 2, que soporta 22 cal/cm 2 recibiendo una energía de 80 cal/cm2. Tabla I, Nivel de ignición en función de la energía incidente. Análisis de ignición de una camisa azul-oscuro, no tratada, con densidad de 180 g/m 2 Energía incidente Análisis de ignición cal/cm 2 6,6 Camisa encendida el 90 % del tiempo 6,0 Camisa encendida el 50 % del tiempo 5,4 Camisa encendida el 10 % del tiempo 4,5 Camisa encendida el 1 % del tiempo 3,5 Camisa encendida el 1 % del tiempo (nivel de confianza del 95 %) La indumentaria protectora se diseña con el objeto de evitar que se alcance sobre la piel el valor de energía que produzca quemadura de segundo grado, o sea limitar a valores de energía inferiores a 1,2 cal/cm 2. La ropa común se prende fuego con energías de alrededor de 2 cal/cm 2, que encendida produce quemaduras más serias y a considerable superficie de piel, superando a las de segundo y en algunos casos a tercer grado, debido a la extensa duración de la exposición al calor. La Tabla II, construida en base a la norma ASTM F1959/97 pone de manifiesto la clase de indumentaria (Flame resistant FR) y sus características en función de la energía soportada. Tabla II, Clase de indumentaria, características y energía de daño [6]. Energía incidente 2 cal/cm Nº de clase de indumentaria A 2B Descripción (número de capas) Algodón no tratado Camisa FR Remera con camisa FR y pantalones Remera con camisa FR y chaqueta FR Remera con camisa FR y chaqueta FR de doble capa Energía de daño de la indumentaria, cal/cm 2 No aplicable 5 a > 60 5 / 7 errónea. Figura 7, Resultado de indumentaria elegida en forma V. NORMAS DE APLICACIÓN Las Normas o especificaciones más aplicadas son originadas en Estados Unidos [9, 10]: - IEEE Guide to Performing Arc- Flash Hazard Calculations - OSHA Standards 29-CFR, Part NFPA National Electrical Code. - NFPA 70E-2009 Norma sobre seguridad eléctrica en los lugares de trabajo (Standard for Electrical Safety in the Workplace) Donde: OSHA es Occupational Safety and Health Administration y NFPA es National Fire Protection Association. La Norma de mayor difusión es la NFPA 70E-2009, cuya estructura y contenido se resume: - Capítulo 1: Practicas de Trabajo Relacionadas con la Seguridad - Capítulo 2: Requisitos de Seguridad Relacionados con el Mantenimientos - Capítulo 3: Requisitos de Seguridad para Equipos Especiales - Capítulo 4: Requisitos de Seguridad de Instalación - Anexos NFPA 70E requiere que el análisis peligro / riesgo se lleve a cabo antes de trabajar en el equipo eléctrico. Si el riesgo térmico residual dentro de la zona de trabajo, presenta un valor energético igual o superior a 40 cal/cm 2, no se recomienda la realización de trabajos en tensión, en dicha zona. VI. CONTROL DE LA CORRIENTE DE FALLA Se puede lograr una importante reducción de la energía liberada mediante el control de la corriente de falla, recurriendo a la capacidad de limitación de la corriente de cortocircuito que

6 poseen interruptores y fusibles [11]. La Figura 8 pone de manifiesto la reducción en el pico y en el área de la corriente durante la operación de dispositivos ultra-rápidos, debiendo recordarse que el valor instantáneo máximo de corriente rige la solicitación electrodinámica y el área encerrada por la corriente, luego de elevarla al cuadrado representa la energía térmica dejada pasar hacia el punto donde se localiza el arco eléctrico. Figura 8, Tensión y corriente de una operación limitadora. La información respecto a los valores instantáneos máximos dejados pasar por la protección limitadora se suministran en gráficos como el mostrado en la Figura 9. de falla. Figura 9, Corriente de paso en función de la corriente Al controlarse el valor de energía liberada, se reduce la energía incidente y por consiguiente se reduce también la clase del equipamiento de protección requerido para tal aplicación. Por lo tanto, si se encuentran bien coordinados, los PPE y los dispositivos de protección eléctrica, pueden juntos contribuir esencialmente a aumentar la seguridad personal contra los arcos de fallas eléctricas. VII. COORDINACIÓN Se han publicado varios artículos mostrando resultados de pruebas llevadas a cabo en laboratorios de alta potencia, siguiendo las especificaciones de las IEC o EN en lo que respecta a condiciones de ensayo [4, 12]. Para tales determinaciones, se instalaron fusibles de diferentes corrientes nominales, midiendo la energía del arco eléctrico y la energía incidente. Estas pruebas habilitan en principio a extraer conclusiones respecto a la limitación de los riesgos del arco por medio de los fusibles. Uno de los artículos muestra ensayos realizados en baja tensión, 400 V, con corrientes de 2,3 ka, 4 ka y 7 ka. Los fusibles instalados en el circuito de ensayo fueron tipo NH 500 V de corriente alterna (tamaños NH00, NH1, NH2, NH3), de varias corrientes nominales entre 100 A y 500 A, clases gg (propósito general) y ar (ultrarápidos). La mayoría de los ensayos se realizaron con fusibles de clase gg, y solo en pocos casos se emplearon fusibles de clase ar, cuando este último era utilizado como fusible de protección de trabajo [4]. Esta modalidad de uso del fusible (protección de trabajo) es aplicada cuando se está trabajando en el circuito y se desea reducir la energía liberada en caso de falla durante la tarea. Procedimiento: La cuantificación de la energía de arco se realiza en base a la medición de la corriente y tensión del arco, con el conocimiento del tiempo de operación de la protección empleando la expresión (1). La energía incidente se obtiene de la expresión (2), con los valores indicados de k. La energía incidente puede también calcularse por aplicación de alguna de las metodologías sugeridas por las normas NFPA 70E, IEEE 1584 o utilizando un método genérico ampliamente difundido [4] Si la corriente no es suficiente para operar en la zona de limitación, se produce un considerable incremento de la energía liberada en el arco. Estos valores pueden escribirse sobre la gráfica de corriente de paso, las marcas corresponden a 1,2 cal/cm 2, como se muestra en la Figura / 7

7 Corriente de cresta dejada pasar A cresta Corriente presunta (A eficaces simétricos) PAPER Corriente nominal Figura 10, Corriente de paso, con indicación de los límites de 1,2 cal/cm 2 [13]. Los resultados muestran que los dispositivos de protección, en especial fusibles son capaces de limitar el riesgo térmico debido al arco eléctrico, siempre y cuando estos actúen en la zona de limitación de corriente de falla, evitando que la energía incidente alcance valores riesgosos para el personal. Siempre que las condiciones de trabajo permitan la posibilidad de que el trabajador se encuentre expuesto a arco directo, debe brindarse la protección con fusibles coordinados con la PPE de la clase que corresponda. Además del valor de la corriente presunta, la corriente nominal del fusible es de gran importancia en la selección de la PPE adecuada. Duraciones extensas del arco, por uso de fusibles de corriente nominal elevada, causan generalmente que se excedan los niveles de protección brindados por la PPE. De la figura puede deducirse que los fusibles operando en la zona de limitación de corriente evitan duraciones de arco que causen riesgo térmico al personal. La magnitud de la corriente de falla, que define si se está en la zona de limitación o no, está fuertemente influenciada por las condiciones del arco de la falla. Existe una notable atenuación de la corriente presunta por el comportamiento no-lineal del arco, cuyo factor de atenuación se encuentra entre 0,78 y 0,87 con un valor medio de 0,85. Como se mencionó previamente la energía del arco aumenta con la corriente nominal del fusible. La figura permite definir las corrientes nominales de los fusibles, en función de las corrientes presuntas en base a la clase de la PPE utilizada (o sea en base a la energía soportada). VIII. CONCLUSIONES Se concluye en que la realización de un adecuado estudio de coordinación entre elementos de control de las consecuencias del arco, es ampliamente justificable frente a la reducción del riesgo al personal. Se muestra la utilización de interruptores o fusibles limitadores para reducir el efecto térmico de los arcos eléctricos. El estudio cubre las principales características involucradas en este riesgo, las que definen las necesidades de protección personal, tales como la duración del arco, la energía del arco y la energía incidente. El objetivo de la protección personal se basa en el límite de Stoll que corresponde al valor límite para evitar quemaduras de la piel de segundo grado. 7 / 7 IX. BIBLIOGRAFÍA [1] Wellman, C. M., OSHA Arc-flash injury data analysis, IEEE IAS Electrical Safety Workshop, pp. 1-5, [2] Gómez, J. C., Tourn, D., Zamanillo, G., Protección Personal contra Arco Eléctrico por Aumento de Potencia debida a la Presencia de Generación Distribuida, CLADE 2012, Rosario, Argentina, Septiembre [3] Gómez, J. C., Campetelli, G. N., Zamanillo, G. R., Basilico, M. A., Explosión de la cuba del Transformador Rural y su relación con la capacidad de Interrupción del Fusible, VI Congreso Latinoamericano de Electrificación Rural, Santiago, Chile, Septiembre de [4] Schau, H., Bessei, H., The influence of fuses on arcing fault energy and personal protective clothing required, ICEFA 2011, Moribor, Slovenia, September [5] Lang M., Neal, T., Wilkins, R., Introduction to arc flash, ICEFA 2007, pp , Clermont-Ferrand, France, [6] Neal, T., Bingham, A., Doughty, R., Protective clothing guidelines for electric arc exposure, IEEE Trans. On IAS, Vol. 33, n 4, pp , July/August [7] Lee, R. H., The other electrical hazard: electric arc blast burns, IEEE Trans. On IAS, Vol. IA-18, n 3, pp , May/June [8] Stoll A. M., Chianta, M. A., Method and rating system for evaluation of thermal protection. Aerospace Medicine Band 40 (1969) 11, S , [9] Wilkins, R., Allison, M., Lang, M., Calculating hazards, IEEE IA Magazine, pp.40-48, May/June [10] NFPA 70E-2009 Norma sobre seguridad eléctrica en los lugares de trabajo (Standard for Electrical Safety in the Workplace), [11] Gómez, J. C., Fusibles eléctricos: aplicaciones prácticas y su justificación teórica, EDIGAR, Buenos Aires, Argentina, [12] EN : Live working Protective clothing against the thermal hazards of an electric arc. Part 1: Test methods Method 2: Determination of arc protection class of material and clothing by using a constrained and directed arc (box test). [13] Doughty, R., Neal, T., Macalady, V., Borgwald, K., The use of low-voltage current-limiting fuses to reduce arc-flash energy, IEEE Trans. On IAS, Vol. 36, n 6, pp , November/December 2000.