(GERS POWER) Herramientas Para Analisis de Arco Electrico

CONSULTING ENGINEERS

CLAUDIA XIMENA GRANADAAgosto 13, 2009

HERRAMIENTAS PARA ANHERRAMIENTAS PARA ANÁÁLISIS DE LISIS DE ARCO ELARCO ELÉÉCTRICO EN SISTEMAS CTRICO EN SISTEMAS

INDUSTRIALESINDUSTRIALES


ContenidoContenido

• Peligro de Arco Eléctrico• La Naturaleza de los Arcos Eléctricos• Causas de Peligro de Arco Eléctrico• Análisis de Arco Eléctrico

• Energía Incidente• Límites de Protección y Aproximación

• Equipo de Protección Personal - PPE• Etiquetas de Advertencia


IntroducciIntroduccióónn

Esta conferencia proporciona un resumen de los peligros de arco eléctrico y describe brevemente las diferentes causas, naturaleza, resultados, normas y procedimientos asociados al análisis de peligros de

arco eléctrico en sistemas industriales.

Para tratar el peligro, es necesario entender el fenómeno.


ContenidoContenido





PeligroPeligro de Arco de Arco ElElééctricoctrico

Un arco elarco elééctrico ctrico o una falla de arcouna falla de arco es un destello de la corriente eléctrica que fluye a través del aire, originado en un equipo eléctrico

desde un conductor vivo expuesto a otro o a tierra.

Explosión en centro de cargaFalla de Arco en un tablero de alumbrado


El Peligro del Arco ElEl Peligro del Arco Elééctricoctrico es la exposición al calor excesivo y las serias lesiones por quemaduras debido a las fallas por arco en los sistemas de potencia eléctricos.

Los Arcos ElLos Arcos Elééctricosctricos producen calor intenso, explosiones y enormes ráfagas de presión. Las extremadamente altas

temperaturas, funden los materiales de los equipos de forma tal que son expulsados en forma de particulas que pueden incendiar la ropa y causar quemaduras severas

que pueden llegar a ser fatales.



Tablero de distribución despuésde una falla por arco

Explosión en un tablero



Los riesgos de exposición a fallas por arco incluyen:1) Peligro de choque eléctrico debido al contacto con conductores

energizados.2) Gases expansivos, conocidos como explosión de arco, que pueden

causar:a) Expulsión de partículas peligrosas b) Ondas de presión que pueden noquear una persona c) Ondas sonoras que pueden dañar el oído

3) Luz brillante (desde el plasma del arco) que puede producir ceguera temporal o permanente.

4) El plasma del arco o calor puede producir fuego.5) Vapores calientes, y gases que pueden alcanzar hasta 23,000 °F6) Evaporación del metal que puede salpicar sobre las superficies y

condensarse sobre los materiales fríos.



Cuando ocurre una falla por arco, el calor del mismo puede causar lesiones al personallesiones al personal y dadaññar el equipoar el equipo.

Las lesiones al personal Las lesiones al personal son la preocupación mayor y es por ello que se debe desarrollar un programa de evaluación del peligro / riesgo con el fin de capacitar a los trabajadores y

reducir el número de lesiones y muertes.

““El arco y los choques elEl arco y los choques elééctricos son los peligros ctricos son los peligros elelééctricos mayoresctricos mayores””



Responsabilidad Responsabilidad y regulaciones y regulaciones

gubernamentalesgubernamentales

Cada trabajador que puede Cada trabajador que puede aproximarse o estar aproximarse o estar

expuesto a un equipo expuesto a un equipo elelééctrico energizadoctrico energizado OSHAOSHA

NECNEC

Falla de un empleado Falla de un empleado en cumplir los requisitosen cumplir los requisitos

Lesiones del empleadoLesiones del empleadoMultasMultas

CastigosCastigosJuicios / PleitosJuicios / Pleitos

Peligro de Arco ElPeligro de Arco Elééctricoctrico


Las siguientes regulaciones están enfocadas a los peligros de arco eléctrico:• NEC-2005 Article 110.16 “Flash Protection”.

• NFPA 70E-2004 “Standard for Electrical Safety Requirements for Employee Workplaces”.

• NFPA 70B-2002 “Recommended Practice for Electrical Equipment Maintenance”.

• OSHA Standards 29-CFR, Part 1910 Sub part S (electrical) Standard number 1910.333.



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La La NaturalezaNaturaleza de los Arcos de los Arcos ElElééctricosctricos

• Arcos Eléctricos Altas Temperaturas hasta 35,000 ºF. (Esto es cuatro veces la temperatura de la superficie del sol).

• Calor generado del arco Expansión súbita del aire explosiones con muy fuerte presión del aire (Un relámpago es un arco natural).

• Sistemas de baja tensión un arco de 3 a 4- pulgadas “puede estabilizarse”.

• Los arcos encerrados magnifican la explosión y la energía transmitida.

• La energía liberada voltaje del sistema, magnitud de la corriente de falla y duración de la falla.


(a) Inicio de una falla de arco (b) Desarrollo del arco

(c) Vaporización del Metal (d) Explosión del Arco

La La NaturalezaNaturaleza de los Arcos de los Arcos ElElééctricosctricos


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Causas de Arco ElCausas de Arco Elééctricoctrico

Un arco elUn arco elééctrico ocurre cuando los conductores de fase ctrico ocurre cuando los conductores de fase son cortocircuitados y se produce una ionizacison cortocircuitados y se produce una ionizacióón del aire.n del aire.

Los cortocircuitos Los cortocircuitos en sistemas eléctricos causan riesgo de arco eléctrico.

• Fallas trifásicas• Fallas fase - fase• Fallas monofásicas

Actualmente, solo se ha estudiado e investigado el riesgo de arco eléctrico debido a fallas trifásicas (fallas de arco) en equipos encerrados. Existe poca información de pruebas a cerca de arcos eléctricos producidos por fallas bifásicas y monofásicas.


Los arcos pueden iniciar por lo siguiente:• Polvo e impurezas en la superficie del aislamiento• Corrosión de partes del equipo• Condensación de vapor y goteos de agua• Descargas por chispas:

Contacto accidentalCaída de herramientas

• Sobre voltajes a través de espacios estrechos• Falla de los materiales aislantes• Diseños inapropiados o equipo mal dimensionado• Procedimientos de trabajo inapropiados

Causas de Arco ElCausas de Arco Elééctricoctrico


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AnAnáálisislisis de Arco de Arco ElElééctricoctrico

De acuerdo a la NFPA 70E-2004(130.3) un “Análisis de Riesgo de Arco Eléctrico deberá ser realizado con el fin de proteger al personal de la posibilidad de ser lesionado por un arco eléctrico. El análisis deberá determinar los Límites

de Protección contra quemaduras y el Equipo de Protección Personal que la gente dentro de los límites de

protección contra quemaduras deberán usar.”


RANGOS DEL MODELORANGOS DEL MODELO

• Voltajes 0.208 kV – 15 kV, sistemas trifásicos.

• Frecuencia 50 Hz o 60 Hz.

• Corrientes de falla 0.7 kA – 106 kA.

• Sistemas de puesta a tierra de todos los tipos

• Equipos encerrados en cajas de tamaños comerciales.

• Distancias entre conductores 13 mm – 152 mm.

• Fallas trifásicas



Estudio de cortocircuito

IEEE Std. 141-1993

Estudio de coordinación de dispositivos de protección

IEEE Std. 242-2001

Análisis de peligros de Arc-Flash

IEEE Std. 1584-2002

•Límite de protección de quemaduras

•Energía incidente

PROCESO DE ANÁLISIS



PROCESO DE ANPROCESO DE ANÁÁLISISLISIS

Paso 1: Recolectar los datos del sistema

• Crear un diagrama unifilar con todas las alternativas de alimentación• Datos para el estudio de cortocircuito• Datos de los dispositivos de protección• Corriente de falla• Características de fabricante para todos los equipos

AnAnáálisis de Arco Ellisis de Arco Elééctricoctrico



Paso 2: Determinar los modos de operacióndel sistema

• Uno o más alimentadores en servicio• Enlaces de subestaciones abiertos o cerrados• Subestaciones con 1 ó 2 alimentadores primarios• CCM con uno o dos alimentadores.• Determinar modos de operación que suministran la

máxima y la mínima corriente de cortocircuito.




Paso 3: Determinar las corrientes de falla

Por medio de un estudio de cortocircuito se debe encontrar la corriente de falla franca simétrica rms en todos los puntos donde las personas puedan trabajar.




Paso 4: Determinar las corrientes de falla de arco

La corriente de falla de arco depende principalmente de la corriente de falla franca. Por medio del estudio de cortocircuito se deben determinar las contribuciones a la falla.




Paso 5: Encontrar las características de los dispositivos de protección y la duración de los arcos

Se puede obtener de un estudio de coordinación de protecciones o de los datos del fabricante.




Paso 6: Documentar los voltajes del sistema y las clases de equipo

Clases de equipo Distancias de barra típicas(mm)

15 kV switchgear 1525 kV switchgear 104Low-voltage switchgear 32Low-voltage MCCs andpanelboards

25

Cable 13Otros No requerido



PROCESO DE ANPROCESO DE ANÁÁLISISLISISPaso 7: Seleccionar las distancias de trabajo




Paso 7: Seleccionar las distancias de trabajo

Clases de equipo Distancias de trabajo típicas(mm)

15 kV switchgear 9105 kV switchgear 910Low-voltage switchgear 610Low-voltage MCCs and panelboards 455Cable 455Otros Determinado en campo




Paso 8: Determinar la energía incidente paratodos los equipos

Se debe calcular la energía incidente en cada uno de los puntos de análisis, solucionando las ecuaciones correspondientes en una barra o en varias barras simultáneamente.




Paso 9: Determinar el límite de protecciónante quemaduras para todos losequipos

Para calcular el límite de protección contra quemaduras, se debe encontrar la energía incidente a la distancia desde la fuente de arco con la cual puede ocurrir una quemadura de segundo grado. Los programas la calculan para 5 J/cm2



LLíímitesmites de de ProtecciProteccióónn y y AproximaciAproximacióónn


RESULTADOS DE ANRESULTADOS DE ANÁÁLISISLISIS



Corriente de arco (kA)

Energía incidente (J/cm2)

Límite de protección (mm)

Corriente falla 3∅ (kA)

Límite de energía (J/cm2)

Distancia de trabajo (mm)

Tiempo de arco (seg)

Voltaje del sistema (kV)

Tipo de equipo

Sistema de puesta a tierra MODELO DE CÁLCULOPARA ANÁLISIS DE ARC - FLASH

MODELO DE CMODELO DE CÁÁLCULOLCULO




Modelo para corriente de arco

Corriente de arco (kA)

Energía incidente normalizada paratiempo y distancia

EnEn

Modelo para energía incidente Energía incidente

(J/cm2)

Modelo para límite de protección

contra quemadurasLímite de protección (mm)

Corriente falla 3∅ (kA)

Límite de energía (J/cm2)

Distancia de trabajo (mm)

Tiempo de arco (seg)


Tipo de equipo

Sistema de puesta a tierra




Donde:

E : Energía incidenteCf : Factor de cálculoEn : Energía incidente normalizadat : Tiempo de arcoD : Distancia desde el posible punto

arco a la personaX : Exponente de distancia

x

nf DtECE ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

610*2.0

***184.4



FACTORES POR EQUIPOS Y VOLTAJESFACTORES POR EQUIPOS Y VOLTAJES


Tipo de equipo Distancia típica entre conductores (mm)

Factor de distancia x

0.208 - 1

Open air 10 – 40 2.000Switchgear 32 1.473MCC and panels 25 1.641Cable 13 2.000

> 1 - 5Open air 102 2.000Switchgear 13 – 102 0.973Cable 13 2.000

> 5 - 15Open air 13 – 153 2.000Switchgear 153 0.973Cable 13 2.000



ContenidoContenido





EQUIPOS DE PROTECCIEQUIPOS DE PROTECCIÓÓNN

El análisis de Arc-Flash también puede determinar el equipo de protección que deben usar las personas que se encuentren dentro del límite de protección de quemaduras.

Equipo de ProtecciEquipo de Proteccióón Personaln Personal



• Movimiento y visibilidad

• Protección de cabeza, cara, cuello y barbilla

• Protección de ojos

• Protección de cuerpo

• Protección de manos y brazos

• Protección de pies y piernas




Tipos de prendas resistentes al fuego




Cascos




Guantes y botas



CLASIFICACICLASIFICACIÓÓN DE CATEGORN DE CATEGORÍÍAS DE AS DE RIESGO/PELIGRORIESGO/PELIGRO

Categoría Nivel deEnergía

PPE típico

0 N/A No fundible, materiales flamables.1 5 cal/cm2 Camisa y pantalones resistentes

al fuego (RF)2 8 cal/cm2 Ropa interior de algodón +

camisa y pantalones RF 3 25 cal/cm2 Ropa interior de algodón +

camisa y pantalones RF + capa RF

4 40 cal/cm2 Ropa interior de algodón + camisa y pantalones RF + traje para quemaduras multicapa



PROTECCIPROTECCIÓÓN CATEGORN CATEGORÍÍA 4A 4



ContenidoContenido





Warning signs required

Other than dwelling units

Personal protective equipment

NEC 2002 PARA ARCNEC 2002 PARA ARC--FLASHFLASH

Etiquetas de AdvertenciaEtiquetas de Advertencia


NEC 2002 PARA ARCNEC 2002 PARA ARC--FLASHFLASH

Etiquetas de AdvertenciaEtiquetas de Advertencia


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