Capaces de producir un tremendo calor, un impacto explosivo y esquirlas,

los incidentes con arco eléctrico son la principal causa de lesiones eléctricas no fatales. Puede que no sean totalmente evitables, pero hay formas de proteger a los trabajadores y a los equipos contra sus fuerzas perjudiciales.



Por Tyler Klassen, P.E.

Desafortunadamente, no se ha prestado suficiente atención a los riesgos del arco eléctrico en la minería, e incluso las agencias regulatorias aún no han respondido totalmente al peligro. Este artículo explica qué es un arco eléctrico, qué lo causa, y algunas de las medidas que se pueden tomar para reducir los peligros del arco eléctrico en operaciones mineras en superficie y subterráneas.

Un arco eléctrico puede ocurrir cuando un conductor de fase energizado está expuesto a otro conductor de fase o de tierra, con suficiente diferencia de voltaje para vencer la resistencia el espacio de aire entre los conductores. Un arco eléctrico también puede ocurrir si baja la resistencia del espacio de aire, como cuando está contaminado con polvo o humedad. Cuando esto pasa, el aire de ese espacio se vuelve plasma formado por aire ionizado u metal vaporizado. 

Un arco eléctrico emite grandes cantidades de energía que pueden matar o herir seriamente a quien se exponga (Ver p. 33). Produce temperaturas de hasta 35.000°F (más caliente que la superficie del sol) que pueden exponer a una persona a cargas de calor de casi 120 cal/cm2 o más—suficiente para chamuscar la piel y encender ropa. Puede producir una onda expansiva con presiones de hasta 2.000 lb/ft2 (suficiente para lanzar a una persona a través de una sala o hacer colapsar sus pulmones), eyectar pedacitos de esquirlas metálicas y otros escombros a velocidades balísticas, y producir un nivel de sonido de 140 dB (equivalente a un disparo) o más. El metal vaporizado rápidamente se vuelve una nube caliente de óxidos metálicos, que puede quemarlos en aisladores cercanos.

De acuerdo a la Oficina de Investigación de Salud e Higiene Minera NIOSH, las quemaduras por arco eléctrico son la principal causa de lesiones eléctricas no fatales, siendo responsables del 35% de los días de trabajo perdidos debido a lesiones eléctricas en la minería entre 1990 y 20011, promediando 21 días laborales perdidos por incidente que representan más de 12.000 días de trabajo perdidos durante el periodo de 11 años del estudio.

La mayor parte del daño causado por un arco eléctrico se debe a la radiación infrarroja que produce. Esto se mide en términos de la energía que alcanza la persona expuesta a él, en calorías por centímetro cuadrado. La tabla 1 muestra el efecto de diferentes niveles de energía incidente.

Un arco eléctrico también genera humo y gases tóxicos a partir de cobre vaporizado y otros materiales—emanaciones que pueden causar problemas de salud por sí mismos. Y aunque estos eventualmente debieran ser eliminados por el sistema de ventilación de la mina, si el arco eléctrico saca de servicio una subestación existe la posibilidad que deshabilite el sistema de ventilación al mismo tiempo.

El arco eléctrico es posible en cualquier sistema con voltajes de 480 voltios o más. En general, involucra exponer a un conductor energizado ya sea a otra fase o a tierra. Tal exposición podría ser causada por daño a un cable o un equipo, por una sonda de voltímetro mal puesta, instalación inadecuada, herramientas abandonadas o incluso la acumulación de polvo conductivo en los aisladores. No sirve de nada que en un típico sistema de distribución eléctrica de una mina, se use una resistencia neutra-de puesta a tierra para limitar la corriente de falla a tierra, y como tal evitará que ocurra un arco eléctrico en una falla fase-a-tierra.

No todas las industrias tienen estrictas regulaciones relativas a los riesgos del arco eléctrico. En la industria de fabricación y en general, por ejemplo, la OSHA demanda el cumplimiento de NFPA 70E, Norma para Seguridad Eléctrica en el Lugar de Trabajo, pero estas regulaciones no aplican en la minería. En su lugar, la MSHA exige cumplir con CFR 30 56 subparte K (Electricidad), pero no cubre específicamente el arco eléctrico. Sin embargo, por razones obvias los operadores mineros deben protegerse contra el arco eléctrico, y cumplir la NFPA 70E es una buena forma de garantizar la seguridad. NFPA 70E se aplica a todas las instalaciones eléctricas del sector minero excepto en minas subterráneas, para maquinaria minera móvil de superficie autopropulsada y cables para remolque. Incluso en aquellas áreas que por ley no requieran cumplir la NFPA 70E, MSHA recomienda enfáticamente obedecer sus precauciones.

Protegiendo Contra el Arco Eléctrico
La protección contra los peligros del arco eléctrico se puede abordar desde dos direcciones: proteger a las personas y minimizar la posibilidad y efectos del arco eléctrico. Proteger a las personas implica precauciones normales de seguridad, y lo que es muy importante, el uso de equipo de protección personal (PPE) exigido por NFPA 70E, incluyendo elementos tales como ropa/prendas interiores resistentes al fuego, trajes de protección contra arcos eléctricos, gorros y guantes que protegen de arcos eléctricos, y más.

Limitando la energía del arco—Aunque proteger al personal del arco eléctrico con PPE es tanto adecuado como necesario, el problema también debería abordarse desde el otro lado: minimizar el peligro del arco eléctrico eliminando la posibilidad de tener uno en primer lugar, o al menos minimizando la cantidad de energía liberada.

La energía liberada en un arco eléctrico se determina por el cuadrado del flujo actual y la duración del arco (I2t) corriente al cuadrado por segundo, así que limitar ya sea la corriente o la duración de un arco, limitará el daño que este puede hacer. Una forma de hacer esto es con interruptores de circuito acción rápida o fusibles limitadores de corriente en la alimentación a un panel. Estos dispositivos que protegen de sobretensión eléctrica reaccionan rápidamente para limitar la duración de un arco.

Bajo condiciones de corto circuito (una condición de sobre tensión de 20x) un fusible limitador de corriente puede eliminar una falla en menos de la mitad de un ciclo AC (8,3 ms), como se muestra en la Figura 1. El área gris muestra la energía permitida a través de un dispositivo protector de sobre tensión convencional, mientras que el área verde muestra la energía permitida por uno limitador de corriente. Un arco no consume tanta corriente como una falla franca, pero incluso con una sobretensión de 8x  un fusible limitador de corriente puede abrirse entre 0,1 y 1 segundo, y algunos interruptores de circuito limitadores de corriente en menos de 10 msec. La tabla 2 compara los tiempos de eliminación de algunos dispositivos protectores de sobretensión disponibles. Cabe notar que los fusibles limitadores de corriente operan más rápidamente que los interruptores de circuito limitadores de corriente, y así se entrega más eficientemente su límite I2t.

Relés para arco eléctrico—Aunque los fusibles limitadores de corriente y los interruptores de circuito pueden ayudar a reducir el arco eléctrico, ellos tienen una gran desventaja; como los primeros momentos de un arco eléctrico pueden consumir solamente una fracción de la corriente de un corto circuito, los dispositivos que protegen de la sobretensión no pueden distinguirlos de una típica corriente de irrupción, y deben esperar hasta que la corriente aumente—y durante este tiempo el personal que está cerca puede sufrir serias lesiones. Si la corriente es los suficientemente baja, se puede desarrollar un arco y permanecer bastante estable por algún tiempo—segundos o más—antes de consumir suficiente corriente para disparar el dispositivo de protección de sobretensión.

En cambio, un relé para arco eléctrico (Figura 2) usa sensores de luz (del tipo punto o del tipo fibra óptica distribuida) para detectar luz desde un arco eléctrico emergente y enviar una señal al relé. El relé entonces enviará una señal a la bobina de disparo en el interruptor que alimenta el panel. El relé para arco eléctrico está diseñado para operar extremadamente rápido.

El relé y los sensores se pueden usar en los gabinetes de transformadores, subestaciones, equipos de conmutación y centros de control de motores. Los relés para arco eléctrico son compactos y pueden acomodarse fácilmente en proyectos de adaptación y equipos de conmutación nuevos con poca o ninguna reconfiguración.

Normalmente, los sensores de luz son ajustados para detectar luz a 10.000 lux (equivalente a aproximadamente un 10% del arco más pequeño). En algunos relés el nivel de disparo lux puede ser ajustado por el usuario para evitar disparos molestos. Ciertos relés para arco eléctrico pueden ser equipados con transformadores de corriente en cada fase. Si se detectan altos niveles de luz (como cuando se abre un panel en luz de sol directa o desde una soldadora al arco cercana), pero no se detecta el correspondiente aumento en la corriente, la unida no se dispara.

Se deben usar suficientes sensores para cubrir totalmente la aplicación, y estos normalmente se instalan cerca de barras colectoras verticales y horizontales. Además de los sensores de puntos, la mayoría de los relés también aceptan alimentación desde un cable de fibra óptica que detecta un destello o una luz en cualquier parte de su recorrido. Estos cables van de 26 a 65 ft (8 a 20 m) de largo, y en algunos casos pueden interconectarse para crear tramos incluso más largos. Sin embargo, conviene usar tramos largos con precaución, porque el cable de fibra óptica podría atenuar la luz que llega al extremo del detector, retardando la detección.

La figura 3 muestra cómo el daño de un arco eléctrico aumenta con el tiempo. Claramente, mientras más rápido se detecta un arco, mejor. Dentro de los relés para arco eléctrico del mercado, los tiempos de detección varían desde menos de 1 ms hasta alrededor de 9 ms. Estos tiempos de reacción están en función del esquema de muestreo de la entrada del sensor de luz del relé y del diseño de su circuito de salida de disparo. Por ejemplo, el ritmo de muestreo del microprocesador del relé de seis sensores de luz podría ser una muestra cada 125 microsegundos (8 kHz). El microprocesador del relé podría ser programado para contar tres muestras por sobre el valor umbral antes de dispararse. La salida electrónica tarda en encenderse, digamos 200 microsegundos para un transistor bipolar de compuerta aislada. Junte estos tiempos y el tiempo total de detección en este ejemplo es de <1 ms. Normalmente el interruptor tardará 30-35 ms adicionales en abrirse después de recibir la señal de disparo.

Un relé para arco eléctrico requiere que el interruptor principal tenga una bobina de disparo de relé, así que en algunos casos puede ser necesario reemplazar el interruptor principal cuando se instale el relé. Además, el interruptor principal debiera recibir mantención periódica—generalmente por ciclos de apagado y encendido cada seis a 12 meses—para ayudar a mantener el mecanismo en funcionamiento. Algunos relés para arco eléctrico tienen una función de falla del interruptor de circuitos; si el interruptor no se dispara después de un retardo de 50 a 150 milisegundos y la condición de arco eléctrico aún está presente, la unidad disparará el interruptor de alimentación inicial.

La confiabilidad es esencial. Se debe seleccionar un relé para arco eléctrico que ofrezca una característica de disparo redundante que aún sea capaz de disparar el interruptor si no lo hace el microprocesador. Cualquier falla en la ruta principal activará un relé de apertura de estado sólido si hay una entrada al sensor por sobre el umbral. Esta característica también es útil al arrancar después de haber apagado la energía (como sucede después una detención por mantención planificada) ya que un microprocesador requiere tiempo de arranque antes de comenzar a escanear sensores. En cambio, un dispositivo en estado sólido puede detectar un arco y disparar en apenas 2 ms.

Para mayor confiabilidad, la mayoría de los relés para arco eléctrico tienen algún grado de monitoreo del estado interno, pero los diseños varían considerablemente. Idealmente, el relé chequeará el estado de cada componente en la ruta desde el sensor de luz hasta el contacto de salida de disparo. El relé debería mantener registros de eventos a los que pueda tener acceso el personal de mantención.

Varios relés para arco eléctrico permiten conectar múltiples relés. Esto puede ser útil si el centro de control del motor no tiene un interruptor de circuito local. En caso de un arco eléctrico, el relé que detectó la falla puede enviar la señal de disparo a un relé ubicado al inicio del mecanismo de conexión. Una red de relés también hace posible dividir la protección en zonas. Para aquellas aplicaciones la mayoría de los relés vienen con un software de configuración fácil de usar.

Los arcos eléctricos son eventos peligrosos; pueden matar o lesionar personas, y dañar o destruir equipos. En una mina subterránea, pueden iniciar incendios que podrían eventualmente llenar la mina con emanaciones peligrosas y gatillar explosiones secundarias. Mediante la aplicación de relés para arco eléctrico, es posible contener los arcos dentro de gabinetes, minimizar la posibilidad de lesiones, salvaguardar equipos, y evitar multas de la MSHA.

Tyler Klassen es gerente de ingeniería de ventas para Littelfuse Startco, Saskatoon, Saskatchewan, Canadá.


Edición Digital