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Prevención frente al fenómeno del arco eléctrico (Arc flash) en el mantenimiento industrial

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Imagen del artículo Prevención frente al fenómeno del arco eléctrico (Arc flash) en el mantenimiento industrial

Juan Rafael Cabello García
Inspección y Asistencia Técnica
Responsable Desarrollo de Servicios Eléctricos
SGS Tecnos, S.A.

1. INTRODUCCIÓN

En los últimos años, los niveles de seguridad de las instalaciones eléctricas se han visto, en general, claramente reforzados. Aspectos muy relevantes como la implicación de la alta dirección, la formación de los empleados y el incesante estudio de accidentes e incidentes, han dado lugar a una innegable mejora en las instalaciones, así como para quienes trabajamos en el sector eléctrico.

Pero aún existen riesgos no evaluados dentro de muchas instalaciones, que podrían dar lugar a perjuicios severos para los activos, y lo que es más grave, daños muy serios para los trabajadores que ejecutan labores de mantenimiento en las diferentes instalaciones.

Muchas veces por falta de conocimiento, otras por falta de capacidad de inversión o simplemente por dejadez, el fenómeno del Arco Eléctrico o Arc Flash pocas veces se ha evaluado desde el punto de vista de la protección de los bienes, así como de los trabajadores propios o ajenos, presentes en las infraestructuras eléctricas sean del tipo que sean.

2. ¿QUÉ ES EL ARC FLASH? ¿DÓNDE SE PRODUCE?

Básicamente el Arc Flash es un fenómeno producido cuando la diferencia de potencial entre dos puntos separados una determinada distancia por un gas aislante (normalmente aire) es tal que supera el nivel de rigidez dieléctrica y se ioniza, volviéndose conductor. Entonces, se produce el paso de corriente eléctrica entre esos dos puntos a través del medio que los separaba (aislante en condiciones normales) dando lugar a una liberación de energía casi instantánea y difícilmente controlable.

Es un fenómeno que puede aparecer en cualquier sistema eléctrico de Alta Tensión, Baja Tensión, Corriente Alterna (CA) o Corriente Continua (CC) por múltiples motivos, y su gravedad dependerá de la “energía calorífica incidente (ECI)” presente en cada punto de la instalación.

Esta ECI instantánea, se puede calcular y justificar en base a normativa internacional de reconocido prestigio, como es la NFPA 70E y la IEEE1584, de cara a asegurar que la protección del sistema es adecuada y que no se van a producir daños en los equipos, ni quemaduras severas en los trabajadores cercanos al punto de la falta.

Gracias al estudio del Arc Flash, además de la estimación precisa de la ECI, también podremos limitar la zona de riesgo y peligro conocida como “Arc Flash Boundary (AFB)” de cara a seleccionar convenientemente los Equipos de Protección Personal (PPE) adecuados en función de del Valor de Rendimiento Térmico de Arco (ATPV según norma IEC 61482-1-1) para cada puesto de trabajo y así minimizar en caso de accidente, los daños provocados sobre los trabajadores, adoptando siempre que sea posible medidas que antepongan la protección colectiva a la individual.

Cabe concluir que el estudio del Arc Flash posibilita la labor de quienes estamos preocupados por llevar a otro nivel la seguridad de los sistemas eléctricos, ayudando a mejorar la disponibilidad, seguridad, mantenibilidad y fiabilidad de las instalaciones.

3. ANTECEDENTES

Según la National Safety Council de los Estados Unidos, organización no gubernamental y sin ánimo de lucro dedicada desde 1913 a actividades relacionadas con la protección de la salud, la mayoría de los ingresos hospitalarios que se producen en ese país, relacionados con la energía eléctrica son debidos a quemaduras por arco eléctrico y no a electrocuciones como podría imaginarse, atendiéndose cada año a más de 2000 personas en los centros especializados de quemados [1].

Este fenómeno es extremadamente perjudicial no sólo para las personas, sino también para las propias instalaciones, dando lugar a elevados costes imprevistos para las empresas del sector que sufren este efecto de manera inesperada.

Existe la posibilidad de que un arco eléctrico pueda surgir caóticamente causado por un accidente, como una explosión eléctrica. Debido a las elevadísimas temperaturas alcanzadas por el arco, el aire y el metal circundantes del equipo donde se produce, se expanden rápidamente, dando como resultado una explosión de alta presión y la vaporización de metales.

A diferencia de las aplicaciones industriales de arco eléctrico controlado (p.e. soldadura), este tipo de accidentes ha sido ignorado hasta los primeros años de la década de 1980, tal y como puede observarse en la figura 1.


Figura 1: Proceso normativo de aplicación al estudio de arco eléctrico en España

Normalmente, los riesgos eléctricos evaluados asociados a las labores de mantenimiento de instalaciones eléctricas, se centran en la prevención de los contactos eléctricos directos o indirectos, obviando otros riesgos relacionados con este tipo de energía. No siempre, el uso de equipos de protección personal “aislantes” es suficiente para proteger a los operarios que llevan a cabo trabajos en sistemas energizados.   

Especialmente durante las labores de mantenimiento, los trabajadores pueden quedar expuesto a este riesgo en múltiples situaciones, tal y como se indica en la Tabla 13.5C de la NFPA 70E [2]. Algunas de estas labores específicas donde el personal de mantenimiento puede estar sometido a riesgo directo de accidente por Arc Flash son:

  • Trabajos en conductores o partes del circuito energizadas, incluyendo la verificación y medición de tensión.
  • Trabajos en conductores o partes del circuito energizadas en una batería de celdas conectadas en serie, incluyendo la verificación y medición de tensión.
  • Retirada o instalación de interruptores “en caliente”.
  • Apertura de puertas o envolventes o retirada de cubiertas de tornillos de manera que conductores o partes del circuito energizadas queden expuestas. En instalaciones en corriente continua (CC), esto incluye cubiertas de protección como, por ejemplo, las protecciones de los terminales de las baterías.
  • Puesta a tierra temporal de los equipos, después de verificar la tensión.
  • Trabajo en circuitos de control con elementos energizados y expuestos cuya tensión sea superior a los 120 V.
  • Instalación o retirada de unidades individuales de arranque en cuadros de control de motores (CCM).
  • Inserción o retirada de interruptores o de unidades de arranque en celdas, estando las puertas de la envolvente abiertas o cerradas.
  • Conexión o desconexión de dispositivos en embarrados energizados
  • Inspección o evaluación de cables aislados con manipulación.
  • Trabajo en partes energizadas y expuestas alimentadas directamente desde cuadros eléctricos.
  • Conexión o desconexión de unidades de medida (kWh en tensión e intensidad del primario).
  • Instalación o retirada de cubiertas de protección conductoras para los conectores entre celdas en bancos de baterías.
  • Para instalaciones en CC, trabajo en partes energizadas y expuestas alimentadas directamente desde una fuente CC.
  • Apertura de seccionador en exterior (apertura individual de los polos con pértiga), desde 1 kV hasta 15 kV.
  • Apertura de seccionador en exterior (apertura conjunta de los polos mediante mecanismo), desde 1 kV hasta 15 kV.
  • Conexión o desconexión de transformadores de tensión al embarrado cuando se produce un funcionamiento anormal según le previsto.
  • Conexión o desconexión de transformadores de tensión al embarrado, cuando se produce un funcionamiento anormal según le previsto

4. ¿DE QUÉ DEPENDE EL VALOR DE ARCO?

Son muchas las variables que afectan, en mayor o menor medida al valor cuantitativo de la ECI (cal/cm2) y del AFB (mm).

La norma IEEE 1584TM-2018 [3] ofrece los métodos de cálculo más precisos y actualizados para llevar a cabo el cálculo energético en cada punto de una instalación eléctrica, dentro de sus límites de aplicación (208 V. a 14,8 kV en Corriente Alterna).

Pero existen muchos otros métodos de calculo para otros sistemas, como los de corriente continua, o para otros niveles de tensión (Doan, Stokes & Oppenlander, Paukert, Ammerman, Enrique, EPRI...).

Centrándonos en la actual IEEE 1584, y como es de suponer, podemos asegurar que la corriente de cortocircuito (Icc) es la variable de mayor peso en el cálculo de la Energía Calorífica Incidente.

Pero dentro de un sistema eléctrico real, esta Icc a su vez, depende de múltiples factores que forman parte de cualquier instalación, como son:

  • Impedancia de los transformadores de potencia
  • Longitud y sección de los conductores.
  • Impedancias de motores y generadores.
  • Tipología de conexión de neutros
  • Otras impedancias internas de los equipos conectados al sistema.

Pero para el correcto análisis de arco, debemos tener muy en cuenta que la Icc tiene una relación directa con una nueva variable denominada Corriente de Arco (Iarc). Esta Iarc es el paso previo al cálculo de la ECI y del AFB. Para determinar la Iarc, es requisito indispensable conocer principalmente la configuración de los electrodos de los diferentes equipos eléctricos que conforman el sistema a estudio. Los casos más habituales de configuración de electrodos, puede observarse en la figura 2:

Figura 2: Configuraciones de electrodos según IEEE 1584

Por último, y no menos importante, “la otra variable” a destacar para el cálculo de ECI es el tiempo. Y nos referimos al tiempo de despeje de la falta en caso de generarse el fenómeno del Arc Flash. Este tiempo de despeje de la Iarc está conformado de otros tiempos parciales como son:

  • Tiempo en que los sistemas de medida verifican la existencia de la falta.
  • Tiempo en que la protección recibe las señales y las analiza.
  • Tiempo en que la protección da la señal de actuación a los sistemas de despeje de la falta (interruptores automáticos)
  • Tiempo en que los interruptores automáticos son capaces de despejar la anomalía.

Afortunadamente, estos tiempos siempre son bajos (del orden de milisegundos) y pueden ser verificados, analizados y estudiados periódicamente (ver figura 3), entre otros, en las labores de mantenimiento que realizan las empresas especializadas en este ámbito.

Figura 3: Tiempos de apertura y sincronización de polos.

5. MANTENIMIENTO Y FIABILIDAD FRENTE AL FENÓMENO DEL ARC FLASH EN ESPAÑA

Tal y como viene sucediendo en otros países, es necesario incrementar la seguridad en las instalaciones eléctricas de nuestro entorno, y no sólo por las obligaciones legales en materia de seguridad industrial y laboral, sino por el hecho de proteger a los trabajadores y a los propios activos de las empresas. Países como Alemania, donde han desarrollado el estándar propio BGI/GUV-I 5188-E [4], ya disponen de reglas claras y concisas para la protección de los trabajadores del sector.

En España también disponemos de legislación y referencias suficientes que dejan claro que el Arc Flash es un riesgo más en las instalaciones eléctricas y, por tanto, debe ser evaluado.

Ya en España, nuestro  Real Decreto 39/1997, de 17 de enero, por el que se aprueba el Reglamento de los Servicios de Prevención [5], indica claramente en su art. 5.3 “Cuando la evaluación exija la realización de mediciones, análisis o ensayos y la normativa no indique o concrete los métodos que deben emplearse, o cuando los criterios de evaluación contemplados en dicha normativa deban ser interpretados o precisados a la luz de otros criterios de carácter técnico, se podrán utilizar, si existen, los métodos o criterios recogidos en:
a) Normas UNE
b) Guías del INSHT
c) Normas internacionales, etc” como pudieran ser las normas ya referenciadas NFPA 70E y la IEEE 1584 .

Por su parte, el Real Decreto 614/2001, de 8 de junio, sobre disposiciones mínimas para la protección de la salud y seguridad de los trabajadores frente al riesgo eléctrico [6], también recoge claramente que los trabajadores (habilitados, cualificados, jefes de trabajos...) deben protegerse frente a este riesgo de arco, con el uso de equipos de protección adecuados en función de la ECI. Bien es cierto, que este RD, ni su guía de aplicación [7], indican claramente como llevar a cabo el cálculo de la ECI. Afortunadamente, las Notas Técnicas de Prevención publicadas por el INSS (instituto nacional de seguridad e higiene en el trabajo) NTP 904 y 957 (véase figura 4), sí que desarrollaron este proceso, si bien, no están totalmente actualizadas a las últimas ediciones de las normas internacionales NFPA e IEEE.

Figura 4: Normas y legislación relacionada con el Arc Flash en España

En cualquier caso, queda claro la obligación legal para el empresario de evaluar este riesgo y no obviarlo bajo ningún concepto.  Destacar además, que la propia NFPA 70E, además, deja claro que este estudio de Arc Flash debe ser revisado periódicamente (cada 5 años) y siempre que se lleve a cabo una modificación de entidad sobre las instalaciones eléctricas evaluadas.

6. ANÁLISIS Y CONCLUSIONES

Las instalaciones eléctricas donde el personal de mantenimiento lleva a cabo sus labores diarias, son cada vez más complejas, dinámicas y diversas. Estas instalaciones requieren de una alta disponibilidad por parte de los clientes y muchas de las labores de mantenimiento se realizan como “trabajos en tensión” con el evidente riesgo que conllevan.

Se añade tres dificultades muy presentes en la actualidad, sobre todo en instalaciones industriales, a la hora de llevar a cabo los estudios de Arc Flash:

Modos de funcionamiento: las grandes plantas ofrecen múltiples modos de funcionamiento, disponiendo en ocasiones de múltiples fuentes de alimentación eléctrica diferentes. Cuando la alimentación a la planta cambia (por ejemplo, de red a grupo) la ECI también cambia con las previsibles consecuencias.  El uso de softwares de simulación específicos para los estudios de Arc Flash, facilitan la búsqueda del punto de mayor riesgo, con la finalidad de que el trabajador siempre esté protegido.

Integración de plantas de energía renovable: las plantas de generación renovable, sobre todo en condición de autoconsumo fotovoltaico, están cada vez más presente en la industria. Este hecho hace que las condiciones de diseño originales de las instalaciones eléctricas cambien, en ocasiones de manera drástica. Recordemos además, que el Arc Flash en los sistemas de CC, se calcula mediante métodos distintos al resto de instalaciones en AC, por lo que hay que tenerlo muy en cuenta a la hora del estudio de arco.

Precisión de los datos de configuración y diseño: En muchas ocasiones, los datos necesarios para el estudio de arco no están presentes en la instalación de los clientes. Pérdidas de hojas de características, rotura de placas de características o desconocimiento del recorrido de conductores, son algunas de situaciones reales y habituales en las instalaciones eléctricas. En otras ocasiones, las características de diseño de ciertos equipos son desconocidas o han variado a lo largo de la vida útil del componente. Tiempos de apertura de los interruptores, impedancia de cortocircuito de los transformadores, longitud de los cables eléctricos...etc, son algunos de los parámetros que pueden variar a lo largo de la vida útil de funcionamiento de los equipos. Afortunadamente, y gracias a ciertos ensayos eléctricos, estas variables pueden ser perfectamente identificadas y cuantificadas, previamente al estudio de arco.

Para que los servicios de prevención de riesgos laborales puedan tomar las decisiones correctas sobre los equipos de protección y procedimientos adecuados para cada trabajo, es prioritario conocer la ECI y el AFB en cada punto de la instalación, sobre todo, en los armarios eléctricos, CCM, celdas de media tensión, bornas de los transformadores y motores eléctricos, entre otros.

Finalmente remarcar que es prioritario contar con empresas especializadas en el sector eléctrico y de la prevención de riesgos, capaces de:

  • Aunar experiencia y solvencia técnica suficiente en el análisis del Arc Flash de grandes instalaciones.
  • Demostrar experiencia en ensayos, verificaciones y medidas eléctricas.
  • Ofrecer soluciones alternativas, de cara a disminuir la ECI, con las diferentes alternativas presentes en el mercado (ajustes de las protecciones, integración de relés de arco, discriminación de ciertos modos de funcionamiento).
  • Disponer de software de simulación adecuado y actualizado a las últimas versiones de las normas de aplicación.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

  1. Baigorri; A. "Ficha técnica de prevención nº 40" Instituto Navarro de Salud Laboral, junio 2012, Actualizado 2015
  2. NFPA. National Fire Protection Association. NFPA - 70E, Standard for Electrical Safety in the Workplace.  Quincy, Massachusetts, EE.UU: NFPA, 2018.
  3. "IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations - Redline" in IEEE Std 1584-2018 (Revision of IEEE Std 1584-2002) - Redline , vol., no., pp.1-341, 30 Nov. 2018.
  4. BGI/GUV – 5188 E. “Thermal hazards from electric fault arc. Guide to the selection of personal protective equipment for electrical work”. Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung. October 2012.
  5. Real Decreto 39/1997 de 17 de enero, por el que se aprueba el Reglamento de los Servicios de Prevención (BOE nº 27 de 31 de enero).
  6. Real Decreto 614/2001 de 8 de junio, sobre disposiciones mínimas para la protección de la salud y seguridad de los trabajadores frente al riesgo eléctrico (BOE nº 148, de 21 de junio de 2001).
  7. Guía del Real Decreto 773/1997 de 30 de mayo, sobre disposiciones mínimas de seguridad y salud relativas a la utilización por los trabajadores de equipos de protección individual (BOE nº 140 de 12 de junio).

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