Estudio de Arco Eléctrico

PREVIOS

Si vas a realizar un estudio de arco eléctrico, lo más probable es que uses los servicios de una empresa que ofrece dicho estudio o quizás piense que su personal tiene la suficiente capacidad para ejecutarlo; sin embargo es importante recalcar los siguientes elementos preliminares antes de que se decida por su propio personal o por la empresa, aunque le ofrezca el precio más bajo, ya que los resultados de una mala o incorrecta decisión pueden tener consecuencias catastróficas.

Hoy en día y dada la crítica situación económica que nos embarga globalmente y más en nuestro país, se vuelve común las contrataciones bajo un alcance técnico muy escaso y es el personal de compras tomando decisiones basadas exclusivamente en precios.

¿Que software usa la empresa ofertante?

¿Que experiencia real ofrece? no solo con el poseer la licencia original del software los distintos trabajos fueron correctamente realizados con anterioridad.

¿Cuál es el perfil de la persona que realizara el estudio? no solo se requiere ser ingeniero electricista sino que debe ser del área de potencia industrial con conocimientos claros y concretos sobre protecciones y la forma como operan los equipos eléctricos industriales, es muy común ver ingenieros electricistas de otras disciplinas o ingenieros con experiencia en otras áreas distintas a las de potencia, tales como electrónica, comunicaciones ó sistemas de control, que de la noche a la mañana se “saltan” al área de potencia y pretenden realizar servicios de este tipo bajo la premisa de que la electricidad es básica y que los conocimientos básicos aplican complemente, pero es un error porque es fácil cometer errores basado en el desconocimiento de una disciplina.

Muchas de las personas que se creen conocedoras de la materia, creen que realizar un estudio es solo pulsar un botón y que el estudio saldrá como arte de magia de la computadora, bueno no puede haber una cosa más errónea que esta. Los puntos que consideramos de vital importancia al ejecutar un estudio, son los siguientes:

1. IMPEDANCIA DE LA FUENTE

Las fuentes de corriente de falla, tal como generadores, no pueden generar infinitamente energía eléctrica de falla; por el contrario, las magnitudes de las corrientes de falla están limitadas por la impedancia interna del generador, así como también por las impedancias de la línea de trasmisión, la impedancia del transformador y los reactores en serie (cuando estén presentes). Usted puede modelar la fuente sin esas impedancias y lo asume como un bus infinito, o por el contrario las toma en cuenta y lo acerca a la realidad.

La suposición de un bus infinito, muy utilizada por muchos ingenieros para simplificar procedimientos y cálculos, resultará en un resultado falso donde hay unas "corrientes de fallas más elevadas" que la real y un "disparo más rápido" de los dispositivos de protección (interruptores, relevadores y fusibles), esto pareciera no ser un problema pero si lo es ya que los niveles de energía incidente, razón del estudio de arco eléctrico, se presentaran como valores más bajos de los reales.

La energía incidente, durante el arco eléctrico, es una medida de la energía térmica que se impone sobre una superficie (por decir una persona) a cierta distancia de la fuente, expresada en Joules por centímetro cuadrado (J/cm2). Dicho esto, si calculamos en un punto una energía incidente basado en una fuente infinita, tendremos al final un resultado erróneo e inferior al verdadero valor de energía incidente que hay en el punto y dejaríamos de proteger a personas contra ese evento, pues identificaríamos incorrectamente una ubicación peligrosa como menos peligrosa debido a esta suposición.

Cuando usted tenga la impedancia de la Fuente, asegúrese que entiende en qué punto es calculado. Típicamente, usted querrá calcularlo hasta el punto de conexión con la empresa de servicio eléctrico; si hay un transformador en la entrada del servicio, asegúrese de saber si la empresa de servicio eléctrico ha proporcionado datos de la impedancia de la fuente al lado de alta o al lado de baja del transformador.

Este es un aspecto critico de un estudio de arco eléctrico que no debe dejarse para ultima hora ya que por lo general no están rápidamente disponibles por parte de las empresas de servicio eléctrico .El modelar incorrectamente a la impedancia de la fuente, tiene un gran impacto en el estudio de modo que asegúrese de tener datos reales y confiables, sino el gasto de dinero al realizar el estudio puede ser sencillamente una erogación monetaria que arrojara resultados incorrectos que pondrán en riesgo la vida de personas.

2. PUESTA A TIERRA DEL TRANSFORMADOR

Durante el proceso de recolección de datos de campo, es fácil no registrar como está puesto a tierra el neutro del transformador. Usted puede tener un neutro sólidamente aterrizado, aterrizado con baja resistencia, aterrizado con alta resistencia o por el contrario no tener ningún tipo de aterrizamiento. Usted podrá tener suposiciones sobre otros elementos del transformador pero nunca asuma su conexión a tierra sino la tiene vuelva al campo y revise.

¿Como afecta esto al estudio? bajo la conexión de sólidamente aterrizado, el transformador proporciona altas corrientes de falla en el secundario; esto conduce a disparos más rápidos de las protecciones con una consecuente menor energía incidente en el punto. Una conexión de puesta a tierra a través de una baja Resistencia, proporciona una corriente de falla más baja y una mayor energía incidente; una conexión de puesta a tierra a través de alta resistencia proporciona muy bajas corrientes de falla a tierra y no disparan a la primera falla a tierra; igual sucede con las conexiones aisladas el neutro de tierra.

3. ¿IEEE 1584 O NESC ART. 410?

Algunas veces, el alcance del trabajo en un estudio de arco eléctrico, se extiende más allá de las subestaciones de distribución de uso interior e incluye las subestaciones de uso exterior y las lineas de distribución. Esto nos hace formular una pregunta interesante: ¿Deberíamos seguir aplicando el estándar IEEE 1584? Probablemente no debido a las siguientes razones:
Las ecuaciones del IEEE 1584 fueron desarrolladas experimentalmente para sistemas eléctricos entre 208 V y 15 kV, con distancias entre conductores energizados entre 13 mm y 152 mm. El arco que se origina en una falla monofásica, es tal que, fácilmente se creará una falla trifásica; no obstante, ¿con qué frecuencia usted ha observado escalar una falla monofásica en una falla trifásica en una subestación? No frecuentemente, por supuesto…La gran mayoría de las fallas, son despejadas a los pocos ciclos de su iniciación; bajo tal escenario, usar las corrientes de falla monofásica para calcular la energía incidente del arco eléctrico, es más significativa que usar los valores de fallas trifásica, tal como los que emplea el estándar IEEE Std 1584.

Por lo tanto, extrapolando una solución para un cálculo de arco eléctrico en subestaciones o líneas con valores nominales de 34.5 kV o 69 kV usando IEEE Std 1584, los resultados no son realísticos. En la mayoría de los casos, generando resultados muy conservadores, con grandes distancias de trabajo tales como 30 pies (9.14 m) o más y bajo un requerimiento de equipo de protección personal (EPP) que limita el desempeño en el trabajo.

Hay algunos pocos desarrolladores de software en la industria que pueden modelar arcos monofásicos con el propósito de determinar la energía incidente en subestaciones. La práctica común de la compañía suministradora es seguir el estandar IEEE C2 (NESC). Las tablas del art. 410 permiten la determinación apropiada del EPP basado en la premisa de que las fallas son monofásicas y tienen lugar entre la linea viva al aire libre y tierra. Sin embargo, para utilizar las tablas, se debe conocer el numero de ciclos que toma el interruptor aguas arriba (incluyendo el tiempo de operación del relevador) para despejar la falla y la corriente de falla disponible en el sistema al punto de ubicación de la falla.

Seleccionar el estándar correcto para el estudio de arco eléctrico, es tan importante como un levantamiento de datos de campo correcto; hay varios métodos a seguir; sin embargo, los que se utilizan normalmente (además de la norma NFPA 70E) se enumeran en la siguiente tabla. NFPA 70E e IEEE 1584 se implementan en sistemas cerrados de baja y media tensión, mientras que las Tablas del NESC se utilizan para los sistemas al aire libre de alta tensión.

4. CORRIENTE DE FALLA FRANCA vs CORRIENTES DE FALLA DE ARCO

Hay dos corrientes de falla que no son lo mismo en sistemas con voltajes hasta 1000 VCA. Por definición, una falla franca, no tiene impedancia de falla asociada, mientras que una falla de arco, si tiene una impedancia asociada con el arco; la falla franca, tiene una magnitud superior que la corriente de falla de arco. Los dispositivos de protección en los sistemas de baja tensión, están coordinados para disparar en función de las corrientes de falla franca y no de las corrientes de arco.

Debido a que el tiempo de despeje de falla de los dispositivos de protección, es un factor importante en el cálculo de la energía incidente, usted debe entender que es el tiempo de disparo para despejar la corriente de arco lo que se usa en los cálculos no el tiempo de disparo asociado con el disparo para fallas francas.

Al programar los relevadores para un disparo más rápido, basado en los valores de corriente de arco, se sacrifique la coordinación de los relevadores y puede perfectamente sacar una gran área fuera de servicio al momento de un disparo bajo falla; sin embargo ahora en la coordinación de protecciones, la seguridad está por encima de la propia selectividad.

5. IMPEDANCIA DEL CIRCUITO

Tal como ya hemos mencionado en el presente artículo, tanto la magnitud de la corriente de falla como el tiempo de operación de las protecciones, afectan significativamente los valores de la energía incidente durante la ocurrencia de un arco eléctrico. La corriente de falla disponible en un sistema, es el resultado de cómo se encuentra configurada la red y la forma como los componentes activos y pasivos son conectados; por ejemplo, si se tienen múltiples transformadores alimentando un bus-ducto, la magnitud de la corriente de falla, aumentará significativamente; esto es debido a la reducción del total de la impedancia cuando los transformadores están en paralelo; adicionalmente si existe una unidad de co-generación en la planta y es operada durante ciertos períodos al día o al mes o al año; estos valores de corriente de falla, deberán ser considerados también.

Asegúrese de que Usted comprende perfectamente como está conectado su sistema eléctrico de potencia y como opera; los cambios en la configuración del sistema afectarán los valores de corriente de falla y por ende los valores de energía incidente; este entendimiento global del sistema, es crítico para realizar correctamente un estudio de arco eléctrico.

6. LADO FUENTE vs LADO CARGA

En un sistema eléctrico de distribución típico los elementos de protección contra sobrecorriente están arreglados en “zonas” en cascada, desde la fuente hacia los circuitos de carga más pequeña.

Al realizar un análisis de riesgo de arco eléctrico para cualquier equipo eléctrico que incluye un dispositivo de protección contra sobrecorriente, existe una posibilidad de elegir entre dos (2) distintos valores de energía incidente. Al realizar trabajos en la sección de interruptor principal, el requerimiento del equipo de protección personal será mayor que para trabajos en la sección de interruptores derivados, ya que esta presenta el menor valor de energía incidente.

Sin embargo, se tiene que considerar lo que ocurriría si el electricista está trabajando en una sección de circuitos derivados adyacente a la sección de acometida. Normalmente, el arco eléctrico se inicia por error humano, no obstante un evento de arco eléctrico en el lado de la acometida también puede ocurrir mientras se trabaja en una sección de circuitos derivados (adyacente a la sección entrante y sin ninguna influencia humana) debido a un fallo de aislamiento, la falta de mantenimiento , sobretensiones, animales, etc. Muchos paneles y tableros no tienen barreras ni aislamiento fuertes y confiables entre la sección de entrada y las secciones de alimentación adyacentes.

Los seis puntos mencionados en este artículo, son apenas unos pocos de los parámetros que requieren conocimientos de ingeniería para establecer las bases de un estudio confiable de arco eléctrico; sin embargo hay otras consideraciones importantes que deben ser evaluadas, algunas de las cuales dependen de las condiciones específicas del sitio, o de la construcción del tablero, y el propio alcance del proyecto. Es por eso que es importante darse cuenta de que hay mucho más que un análisis de arco eléctrico al comprar un paquete de software y apretar un botón. ¡Su vida y la de sus compañeros de trabajo podrían depender de ello!