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Introducción Este artículo trata de describir elfenómeno del arco interno, las conse-cuencias sobre la seguridad de las per-sonas, los actuales medios de limita-ción de las mismas y la situaciónnormativa actual en general para losequipos utilizados en redes de distri-bución de la energía eléctrica enmedia tensión.

El arco interno puede darse en losequipos eléctricos cuando las condi-ciones de servicio para las que se dise-ñó no se cumplen o existe algún falloinherente al mismo u originado du-rante una incorrecta instalación. Eneste sentido, la IEC 62271-200 en sucapítulo 8 da una guía de orígeneshabituales de un arco interno, asícomo el modo de disminuir su proba-bilidad de ocurrencia. Algunos ejem-plos típicos son sobretensiones en lared, especificación inadecuada delequipo, curvas de protecciones inade-cuadas, uso indebido de un equipo,uso de un equipo tras haber llegado alfinal de su vida útil asignada o suendurancia eléctrica asignada, confec-ción de terminales de cables inadecua-da, controles de rutina en fabricacióninadecuados, etc. Pero se admite queaunque el riesgo, si se cumplen ade-

cuadamente todos los requisitos eléc-tricos sea bajo, no es nulo, y así lodemuestra la experiencia. El errorhumano y las circunstancias particula-res que puedan darse en un determi-nado momento en una instalación noson totalmente controlables, y lamen-tablemente las consecuencias de unfallo pueden ser muy graves para laspersonas que se encuentren en proxi-midad.

Dado que estos equipos se encuen-tran en toda la red de distribucióntanto en edificios de pública concu-rrencia como en espacios de acceso norestringido, la seguridad de las perso-nas (operadores y público en general)debe tenerse en cuenta en el diseño deequipos e instalaciones para minimi-zar el riesgo ante la eventualidad deun arco interno. Así lo recoge porejemplo la ITC16 del Reglamentoespañol sobre centrales eléctricas,subestaciones y centros de transfor-mación.

Además de los aspectos constructi-vos propios de cada equipo en el cualel fabricante debe establecer losmedios para minimizar los riesgosante un arco interno, entendemos quees de suma importancia para los utili-zadores, instaladores y diseñadores de

una instalación de media tensión,conocer las condiciones de instalacióndadas por el fabricante y evitar asíriesgos.

Contexto normativoEn la actualidad existen varias normasinternacionales que recogen un modode clasificar los equipos eléctricosbajo envolvente metálica IEC 62271-200, los equipos eléctricos bajo envol-vente aislante IEC 62271-201 y loscentros de transformación prefabrica-dos IEC 62271-202, en función de suprotección sobre las personas en pro-ximidad cuando se da una situación dearco interno en los compartimentosde la aparamenta de alta tensión hasta52 kV.

También existe en la actualidadalgún intento de normalizar el modode clasificar el comportamiento frenteal arco interno en los cuadros de bajatensión. En este sentido se ha redacta-do el informe técnico internacionalIEC/TR 61641. Sin embargo, este do-cumento no ha llegado a ser introdu-cido aún en las normas.

En la actualidad únicamente exis-ten ensayos normalizados para verifi-car las consecuencias de un arco inter-no en la aparamenta de alta tensión,

JOSÉ MANUEL INCHAUSTI SANCHO

Diferentes sistemas activos y pasivos protegen a las personas y los aparatos frentea la generación de una onda de presión y calor que caracterizan un arco interno

Protección frente al arcointerno en instalacioneseléctricas

pero no en los transformadores depotencia ni en la aparamenta de bajatensión. Esto se podría justificar porel hecho de que la mayor potencia decortocircuito se da en la aparamentade alta tensión, y los transformadoressuelen estar protegidos con pararra-yos que reducen la probabilidad de losarcos internos en el lado de alta ten-sión de los mismos debidos a sobre-tensiones, y/o mediante fusibles limi-tadores de corriente dispuestos aguasarriba de los mismos. Sin embargo,cuando aguas arriba de un transfor-mador se dispone únicamente de uninterruptor automático la probabili-dad y las consecuencias de un arcointerno en el lado de media tensión noquedan limitadas.

La generación del arco se realizahabitualmente (para el ensayo) por elpaso de corriente a través de un hilode cobre fino dispuesto a este propó-sito entre conductores o conductor ytierra. En el caso de centros prefabri-cados, la iniciación se realiza en elequipo de MT, y en la interconexiónde MT entre éste y el transformador.

Existe alguna especificación decompañía eléctrica (p.ej. EDF) quegenera el arco interno mediante elintento de corte de una intensidad

superior a la que el propio equipo escapaz de cortar, es decir, evalúa elcomportamiento en el caso de que unoperario maniobre el equipo y éste nosea capaz de cortar la corriente.

Es importante describir que elensayo de arco interno es distinto en surealización en el caso de que el accesosea por personas especializadas opúblico en general. En ambos casos secolocan unos soportes con testigos tex-tiles en la/s zona/s accesible/s alrede-dor del equipo, variando el tipo de teji-do así como la distancia al equipodependiendo de si se quiere evaluar laaccesibilidad por personal público oespecializado, siendo más estricto en elprimer grupo de personas.

Consecuencias de un arcointernoEl arco interno es un fenómeno muyrápido, casi explosivo, de transforma-ción de una energía eléctrica inicial enla generación de una onda de presióny calor sobre el medio donde se pro-duce, es decir, típicamente el mediodieléctrico utilizado. En la figura 1 setrata de explicar cuál es su desarrollo.

Los efectos o consecuencias de undefecto o arco interno son los siguien-tes:

1. Onda de presión. La onda de pre-sión tiene dos consecuencias: la pri-mera sobre la propia envolvente delequipo que debe resistir dicho esfuer-zo mecánico, y la segunda sobre ellocal donde se ubica este equipo quetambién sufre las consecuencias delviolento aumento de presión pudien-do provocar graves daños en su es-tructura (ventanas, puertas, muros deladrillo). Esta onda de presión esmucho más violenta cuanto mayor seala cantidad de gases generados (típicoen el caso de los dieléctricos líquidos).

2. Salida de gases calientes. El arcointerno va a provocar un aumento detemperatura de los gases que se des-prenden de los materiales del equipodebido a la energía eléctrica que setransmite al medio dieléctrico asícomo la energía química por disocia-ción o reacción química del dieléctri-co y gases generados. Según el caso,esta reacción química puede ser fuer-temente exotérmica dependiendo delos materiales y dieléctricos utiliza-dos y ser causa de incendio si existenmateriales combustibles en su proxi-midad, o provocar quemaduras en laspersonas cercanas o en el exterior dellocal a través de conductos de evacua-ción y rejillas de ventilación.

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3. Perforación de la envolvente delequipo. El arco, durante su desarrollo,puede llegar a provocar la perforaciónde la envolvente, si se apoya en lamisma o en zonas muy próximas. Eneste caso se producirá una radiacióncalorífica de alta intensidad, pudiendocausar graves quemaduras a cualquierpersona que se encuentre a su alrede-dor.

4. Daños irreversibles del equipo. Laenergía que se genera en el interiorpuede provocar que las partes metáli-cas que conforman la envolvente pue-dan dañarse bien por el rápidoaumento de presión o bien por lafusión y evaporación parcial de laspartes metálicas. A modo de ejemplo,podríamos indicar que en un arcointerno de 20 kA durante 0,5 s típica-mente la energía eléctrica disipadapuede ser de 8 MJ.

5. Proyección de partes del equipo.Durante este proceso partes del inte-rior del equipo, así como de la propia

envolvente, pueden salir proyectadospudiendo afectar gravemente a laspersonas que se encuentren en su pro-ximidad.

Todos estos efectos son evaluadosdurante el ensayo de arco internosiendo los criterios de aceptación delensayo. Los efectos de la onda de pre-sión en el local sólo se evalúan en elensayo de arco interno en centros detransformación prefabricados.

Sistemas de limitación de losefectos de un arco interno Para evitar los efectos anteriores, losfabricantes de equipos de MT handotado a los mismos de diversos siste-mas para evitar los daños tanto a laspersonas como a los equipos.

Existen dos tipos de medios o sis-temas de prevención desde el puntode vista de su modo de actuación:

1. Sistemas pasivos. Son aquellosque por su naturaleza o por concep-ción previenen de los efectos tanto de

gases calientes como de la onda depresión sin que ningún mecanismo osistema inteligente actúe. Los siste-mas conocidos como elementos pasi-vos podrían ser los siguientes:

– Disco de ruptura. Se trata de unelemento que en el momento en quela presión aumenta, se rompe o selibera posibilitando que se evacuen losgases. Esta evacuación estará situadaen una zona controlada y lejana a laszonas accesibles en servicio.

– Diseño de la envolvente ante unasobrepresión. Ante el aumento de lapresión en su interior, el equipo debeser capaz de soportarlo, deformándo-se lo mínimo posible y permitiendoque los gases fluyan fuera de él de unaforma controlada evitando daños a laspersonas.

Hay que indicar que en los prime-ros instantes el arco interno es unfenómeno prácticamente adiabático,generando una sobrepresión similar aun golpe de ariete. Según nuestraexperiencia, la presión del aire en elinterior del equipo puede elevarse a2,1 bar (relativos) en 30 ms. Ningúnsistema de protección (con excepciónde los fusibles) situado en las redes dedistribución es capaz de eliminar lafalta en tan corto espacio de tiempo,por lo que la envolvente debe sercapaz de soportarlo (figura 4).

Existen tecnologías de simulaciónpor elementos finitos que pueden ayu-dar al diseño de los equipos, peroéstos deben ser ensayados y verifica-dos realizando un arco interno. Lasimulación no puede sustituir al ensa-yo real (figura 5).

– Conductos de expansión. Adicio-nalmente a los discos de ruptura sepuede disponer en el equipo un con-

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Figura 1. Desarrollo de un arco interno.

ARCO ELÉCTRICO

Energía eléctrica

Radiación,convención,conducción,

fundido yevaporación

del metal

Disociación yreaccionesquímicasEnergía eléctrica

para calentar eldieléctrico

Emergía químicapara calentar el

dielécrico

Aumento de presión y gases calientes Daño irreversible del equipo

Figura 2. Presión en el local de celdas según volumen del mismo y superficie de salida de gases del local. Figura 3. Distancias mínimas de instalación.

ducto que evacue los gases hacia zonascontroladas y sin producir ningúndaño externo. El conducto puede serconstruido como tal o mediante laubicación de los equipos dentro dellocal guardando unas determinadasdistancias, por ejemplo, el espacioentre una aparamenta bajo envolventemetálica y la pared posterior.

– Control del arco eléctrico. El arcoeléctrico dentro del equipo puedecontrolarse de tal forma que puedaprovocar los menores daños. La ener-gía que transmite el arco es propor-cional a la corriente que circula por elmismo y al término conocido comotensión de arco. Esta tensión dependedel dieléctrico pero es proporcional ala longitud del arco. Si el equipo estádiseñado para que esa longitud dearco sea siempre la misma y reducidapodrá controlar la energía que segenera en su interior y así minimizarsus daños. Por ello, los equipos pose-en en su interior cebadores o elemen-tos de sacrificio en caso de arco inter-no. Para asegurar su correcto fun-cionamiento habría que colocar loscebadores de arco para cubrir todaslas posibles situaciones de arco en elequipo (no corte, diferentes alimenta-ciones, diferentes orígenes de arco,etc.).

– Sistemas de enfriamiento de losgases calientes. Se tratan de conductoso elementos que provocan el enfria-miento de los gases expulsados. Unaforma de ejecutarlo, por ejemplo, esmediante un laberinto de salida degases que tenga contacto con mássuperficie metálica y pierda así supoder calorífico. Otro sistema es el deutilizar material refractario para queen su salida éste absorba el exceso decalor figura 6).

– Fusibles. Estos elementos limitanla duración y la energía del arco en elcircuito aguas abajo del mismo. Seconsidera elemento pasivo, ya que suconcepción hace que ante un paso decorriente elevado sus microuniones sefundan no existiendo ningún elemen-to electrónico ni mecanismo.

2. Sistemas activos. Son aquellosque por su naturaleza son sistemasmecánicos y/o electromecánicos quelimitan la duración de un arco inter-no. Existen los siguientes tipos:

– Elementos de corte asociado a relésde protección. Se considera como talcualquier interruptor automático oelemento de maniobra que actúa eli-minando el defecto ante una orden de

un relé de protección que determinasi existe falta o no según su tarado.Éste no limita la onda de presión,pero sí la energía total disipada, enfunción de la duración de la corriente.

– Elementos cortocircuitadores. Estoselementos actúan cerrando un seccio-nador de puesta a tierra aguas arribadel defecto, cortocircuitando la ali-mentación y provocando que el arcose extinga, ya que el arco posee unaimpedancia mayor que los conducto-res del seccionador de puesta a tierra.Estos cortocircuitadores deben serinstalados en cualquiera de los puntosposibles de alimentación de la falta.No obstante, los mismos deben estarasociados a un elemento de actuacióno disparo que discrimine si existe o noel arco en el equipo. Estos elementosasociados deben estar dispuestos en

los compartimentos existentes en elequipo, ya que todos los comparti-mentos tienen posibilidad de arcointerno. Existen los siguientes tiposde elementos asociados:

• Sistemas de detección de sobrepre-sión. Actúan ante un aumento dinámi-co de la presión enviando una señalmecánica o eléctrica al cortocircuita-dor o relé de maniobra.

• Sistemas de detección de luminosi-dad. Actúan ante la luminosidad delarco interno dentro del equipo. Estoselementos necesitan alimentaciónauxiliar.

Clasificación de equipos por sucomportamiento ante un defectointerno La actual norma internacional IEC62271-200 define la llamada clase

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Figura 4. Oscilograma de ensayo de arco Interno (corriente y sobrepresión).

Figura 5. Simulación por elementos finitos de la deformación de las envolventes metálicas por presión.

IAC “Internal Arc Class” que obliga adefinir con cuatro parámetros elgrado de protección del equipo frenteal arco interno:

1. Accesibilidad: frontal (F) y late-ral (L) y/o trasera (R)

2. Magnitud de la corriente decortocircuito: por ejemplo, 16 kA

3. Duración del arco: por ejemplo0,5 s

4. Acceso limitado a personalautorizado o libre acceso

En el caso de clasificar un equipocomo IAC, éste debe soportar el ensa-yo en todos sus compartimentos dealta tensión.

Tanto el defecto como la duraciónpermiten establecer la robustez delequipo ante un arco interno, estandoen manos del usuario la determina-ción de si esa limitación de arco ytiempo son compatibles con su red y así minimizar los riesgos y los dañosante un posible fallo.

En todos los casos se comprueba,mediante ensayo, que el comporta-miento del equipo es el definido porel fabricante en cuanto a la gestiónde los gases calientes producidos, yque no hay riesgo de quemadura oimpacto para las personas que seencuentren próximas al mismo en laszonas definidas como accesibles enservicio.

Las normas internacionales citadassólo valoran y clasifican los equiposfrente al arco interno, en función

exclusivamente del comportamientode sus elementos pasivos, ya que loque se pretende es valorar la seguri-dad del mismo cuando cualquiera desus elementos de alta tensión sufre unfallo que desencadene un arco internoen los mismos. En este sentido, sonconsiderados como elementos deseguridad pasiva aquellos estructura-les o con muy baja probabilidad defallo, como son los fusibles, por suausencia de mecanismos o dispositivoselectrónicos.

En resumen, cualquier protecciónactiva no puede ser utilizada comosistema de prevención de los riesgosdel arco interno sino que deberáestar diseñada para que sin actuar elelemento activo, éste supere el ensa-yo.

Por ejemplo, los equipos que dis-ponen de disyuntores o interruptoresautomáticos deben ensayarse con surelé de protección deshabilitado.Durante su vida útil, en el caso de queeste equipo sufra un arco interno, elrelé podrá actuar pero siempre con laseguridad de que si éste no funciona oestá dañado por el arco, el equipo esintrínsecamente seguro. Asimilado almundo del automóvil, los sistemaspasivos son el cinturón de seguridad yel diseño del chasis del coche, mien-tras que un sistema activo sería el air-bag. Los primeros siempre son obli-gatorios, mientras que el segundo esopcional.

Factores que influyen en elcomportamiento de un defectointerno El comportamiento de un defectointerno depende básicamente de:

1. Disposición de los elementosconductores.

2. Materiales de los elementosconductores.

3. Volumen y geometría del com-partimento afectado.

4. Materiales aislantes (gas, líqui-do, sólido) en proximidad del arco.

5. Segregación o no de fases.6. Valor de la corriente.7. Duración del arco.8. Número de arcos simultáneos

posibles.9. Lugar en que se inicia y/o fija el

arco.10. Velocidad de expulsión de los

gases producidos por vaporización,descomposición y/o reacción químicade los materiales presentes.

11. Reacción química de los gaseso líquidos calientes en contacto con elaire.

Por todo ello, el comportamientoes específico de cada equipo, modo deinstalación y modalidad de ensayoempleada.

Habitualmente, y por razones deconveniencia para los laboratorios, losequipos que utilizan SF6 como gasaislante son ensayados frente a arcointerno, con aire en lugar de SF6, loque lleva a un fenómeno más violento(más rápido incremento de presión).Por lo tanto, ésta es una condiciónmás onerosa permitida por las normasinternacionales.

Sin embargo, la sustitución deotros gases y líquidos aislantes no estápermitida. En este sentido se puedeafirmar, en general, que los líquidosaislantes generan un gran volumen degases fácilmente inflamables al con-tacto con el aire, al verse sometidos aun arco eléctrico. Así, y aunque no eshabitual su uso en los equipos másmodernos, son numerosos los labora-torios que han sufrido la explosióninesperada de este tipo de equipos, alproducirse un arco interno accidentalen los mismos.

ConclusionesUn equipo considerado que tiene lacapacidad de soportar un arco internoes un elemento seguro siempre que suinstalación o las condiciones de con-torno sean ejecutadas correctamente.Para ello, se habrán establecido los

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Figura 6. Sistema de enfriamiento de salida de gases mediante laberinto metálico.

sistemas que el fabricante estimenecesario para la limitación de susefectos.

Los sistemas de limitación de efec-tos son activos o pasivos, siendo losúltimos los únicos válidos para la veri-ficación del comportamiento antearcos internos.

Cada equipo tiene un comporta-miento específico frente a situacionesde arco interno, por lo que el uso dedispositivos limitadores de la duracióndel arco para minimizar los daños queéste pueda producir debe estar ligadoal conocimiento mediante ensayo delcomportamiento de dichos equipos ensituación de arco interno y sin el usode dispositivos limitadores de la dura-ción del mismo.

Los dispositivos limitadores de laduración del arco pueden ser unmedio muy válido para reducir losefectos del arco interno tanto sobre elpropio equipo en el caso de ser posi-ble su reparación, como sobre las per-sonas y el local.

En este sentido, los dispositivoslimitadores de la duración del arco,son igualmente susceptibles de sufrirun arco interno y, por lo tanto, no

pueden ser considerados como ele-mentos de seguridad pasiva o inheren-te al equipo.

Referencias normativas1. IEC 62271-200 Ed.1.0 AC metal-enclosed

switchgear and controlgear for rated voltages above1 kV and up to and including 52 kV

2. IEC 62271-201 Ed.1.0 AC insulation-enclosedswitchgear and controlgear for rated voltages above1 kV and up to and including 52 kV

3. IEC 62271-202 Ed.1.0 High-voltage/low-voltageprefabricated sub station

4. IEEE C37.20.7 – 2007 Guide for testing metal-enclosed switchgear rated up to 38 kV for internalarcing faults

5. EEMAC G14-16. ENA TS 41-36 Distribution Switchgear for Service

up to 36 kV (cable and overhead conductor con-nected)

7. FND300 Aparamenta Prefabricada bajo envol-vente metálica con dieléctrico SF6 para CT hasta36 kV (Endesa)

8. NI 50.42.11. Celdas de alta tensión bajo envolventemetálica hasta 36 kV, prefabricadas con dieléctricode SF6, para CT (Iberdrola)

9. EM Celdas MT SF6 aislamiento pleno Modulares ycompactas (Unión Fenosa)

10. ET/5050. Celdas prefabricadas compactas de ais-lamiento en SF6 para CT hasta 24kV (Hidrocantá-brico).

11. HN 64-S-52 Appareillage insensible à sonenvironnement sous enveloppe métallique pourcourant alternatif de tension assignée égale à24 kV (EdF)

12. EoN Technical Specification for 24 kV LoadBreak installations. SF6- gas insulated, metalenclosed (EoN)

13. IEC/TR 61641 Ed.2.0 – 2008 Enclosed low-volt-age switchgear and controlgear assemblies. Guidefor testing under conditions of arcing due to internalfault

14. UNE 201001:2000 IN Conjuntos de aparementade baja tensión bajo envolvente. Guía para el ensayoen condiciones de arco debidas a un fallo interno.

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AUTORJosé Manuel Inchausti Sancho

Ingeniero superior industrial. Director técnico deOrmazábal y Cía.

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