Estudio de Arco Electrico en La Ford Motors de Venezuela

8/19/2019 Estudio de Arco Electrico en La Ford Motors de Venezuela

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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVARCOORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

ESTUDIO DE RIESGO DE ARCO ELÉCTRICO EN LA PLANTA FORD MOTOR DE

VENEZUELA, S.A.POR

MIGUEL ALEXANDER LÓPEZ GIRALDO

TUTOR ACADÉMICO: PROF. ELMER SORRENTINO

TUTOR INDUSTRIAL : ING. RODOLFO GARMENDIA

INFORME FINAL DE PASANTÍAPRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DEINGENIERO ELECTRICISTA

Sartenejas, Octubre de 2006


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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVARCOORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA


VENEZUELA, S.A.

POR

MIGUEL ALEXANDER LÓPEZ GIRALDO

TUTOR ACADÉMICO: PROF. ELMER SORRENTINO

TUTOR INDUSTRIAL : ING. RODOLFO GARMENDIA

INFORME FINAL DE PASANTÍA

PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVARCOMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DEINGENIERO ELECTRICISTA

Sartenejas, Octubre de 2006


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VENEZUELA, S.A.

PORMIGUEL ALEXANDER LÓPEZ GIRALDO

RESUMEN

En este trabajo se realizó un estudio de riesgo de arco eléctrico en la planta Ford Motor de

Venezuela, S.A. Dicho estudio se hizo basándose en el estándar IEEE 1584-2002, el cual es una

“Guía para cálculos de riesgos del arco eléctrico”. Este estándar ofrece un conjunto de ecuaciones

para el cálculo de los niveles de energía incidente de los arcos y la determinación de las

distancias requeridas para las fronteras de protección contra arcos, en sistemas trifásicos de

corriente alterna. El propósito del estudio es determinar la categoría o nivel del equipo de

protección personal a usar en las distintas ubicaciones de las instalaciones eléctricas y

documentar los niveles de energía incidente y las distancias de las fronteras de aproximación en

etiquetas de advertencia de riesgo de arco eléctrico a ser colocadas debidamente en cada una de

los sitios correspondientes al análisis. El estudio realizado permitió determinar que el riesgo de

arco eléctrico en la mayoría de los tableros en la planta de Ford Motor de Venezuela, S.A. es de

nivel 0, y además que el mayor riesgo de arco eléctrico es de nivel 1. Por lo tanto, la categoría

térmica mínima del equipo de protección personal a usar, correspondiente al nivel de riesgo 0 y al

nivel de riesgo 1, debe ser de 2 cal/cm2 y de 4 cal/cm2, respectivamente.


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ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE DE TABLAS……………………………………………………………………………x

ÍNDICE DE FIGURAS………………………………………………………………….............xi

LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS…………………………….………………….xii

CAPÍTULO 1

1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………..….1

CAPÍTULO 2

2. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA Y OBJETIVOS DEL TRABAJO……………..........5

2.1. Descripción de la empresa……………………………..………………………………..…5

2.2. Objetivos del trabajo………………………………………………………..………….…..6

CAPÍTULO 3

3. RIESGO DE ARCO ELÉCTRICO EN INSTALACIONES INDUSTRIALES…….….…8

3.1. Riesgos ante la exposición de arcos eléctricos…………………………………….….…...9

3.2. Historia de regulaciones y estándares……………………………………….…….……...10

3.3. Desarrollo del estándar IEEE 1584-2002………………………………………...………13

3.3.1. Desarrollo de las ecuaciones de la corriente de arco………………………………….….13

3.3.2. Desarrollo de las ecuaciones de la energía incidente…………………………...…….….16


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3.4. Rango del modelo empírico del estándar IEEE 1584-2002……………………………....20

3.5. Conclusiones del grupo de trabajo IEEE 1584 de los análisis de los resultados…….…..21

CAPÍTULO 4

4. PASOS PARA EL ESTUDIO DE RIESGO DE ARCO ELÉCTRICO SEGÚN

ESTÁNDAR IEEE 1584-2002 …………………………………………………………….….…22

4.1. Recolectar los datos e información del sistema e instalaciones……………...…….…….22

4.2. Determinar los modos de operación del sistema……………………………………….…23

4.3. Determinar las corrientes de falla sólida…………………………...………………….…25

4.4. Determinar las corrientes de falla del arco………………………………...………….….26

4.4.1. Ecuaciones para determinar la corriente de arco…………………..……..........................27

4.5. Obtener características del dispositivo de protección y duración del arco………….........28

4.6. Documentar las tensiones del sistema y la clase de los equipos…………...…….………30

4.7. Seleccionar las distancias de trabajo……………………………...……………….……..30

4.8. Determinar la energía incidente para cada equipo……………………...………….……..31

4.8.1. Ecuaciones para calcular la energía incidente…………………………………………....32

4.8.2. Ecuaciones de cálculo de energía incidente a usar con fusibles limitadores de corriente..35

4.8.3. Ecuaciones de cálculo de energía incidente a usar con interruptores de baja tensión........39

4.9. Determinar la distancia de protección contra arco para cada equipo…………………….42

4.9.1. Ecuaciones para determinar la frontera de protección contra arco eléctrico………….….43

4.10. Selección del equipo de protección personal………………...…………………...…..…..44

4.10.1. Características del material de la ropa de protección personal…………………………...48

4.11. Etiquetas de advertencia de riesgo de arco eléctrico………………………………..……48


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vii

CAPÍTULO 5

5. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO EN ESTUDIO………………………....53

5.1. Unifilar general de la planta………………………...……….…………………………....535.2. Cálculo de niveles de corto circuito………………………………………………...……55

5.2.1. Cálculo de niveles de cortocircuito en media tensión……………………………………55

5.2.2. Cálculo de niveles de corto circuito en baja tensión……………………………………..56

5.3. Recopilación de la información de las protecciones…………………………………..…58

CAPÍTULO 6

6. RESULTADOS DEL CÁLCULO DE RIESGO DE ARCO ELÉCTRICO EN LA

PLANTA FORD MOTOR DE VENEZUELA, S.A…………………………………………......62

6.1. Ejemplos de cálculo……………………………………………………………………....62

6.1.1. Tablero principal T31……………………………………………………………………..62

6.1.2. Tablero principal T131……………………………………………………………..…...…66

6.1.3. Tablero 150………………………………………………………………………….....…68

6.2. Resultados del estudio de riesgo de arco eléctrico……………………………………….70

CAPÍTULO 7

7. CONCLUSIONES………………………………………………………………………..74

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………...……………………....75


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viii

ANEXO A

A. RESULTADOS DETALLADOS DEL CÁLCULO DE CORTOCIRCUITO………….78

ANEXO B B. RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN DE LAS PROTECCIONES Y

DETERMINACIÓN DE SUS TIEMPOS DE INTERRUPCIÓN……………………………..105


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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla I - Tiempos de operación para interruptores........................................................................ 29

Tabla II - Clases de equipo y distancia típica entre conductores................................................... 30

Tabla III - Clases de equipo y distancias típicas de trabajo........................................................... 31

Tabla IV - Factor x de distancia.................................................................................................... 33

Tabla V - Ecuaciones para calcular energía incidente y frontera de protección según tipo y

capacidad del interruptor ....................................................................................................... 40

Tabla VI - Características de la ropa de protección....................................................................... 47

Tabla VII - Clase de guante a usar según nivel de tensión del sistema......................................... 47

Tabla VIII - Fronteras de aproximación a partes energizadas para protección contra

electrocución.......................................................................................................................... 52

Tabla IX - Niveles de cortocircuito en media tensión ................................................................... 56

Tabla X - Niveles de cortocircuito en los tableros de baja tensión ............................................... 57

Tabla XI - Tiempo de apertura y clasificación de los dispositivos de protección......................... 59

Tabla XII - Valores de entrada en las ecuaciones de cálculo de riesgo de arco eléctrico ............. 70

Tabla XIII - Resultados del estudio de riesgo de arco eléctrico.................................................... 72


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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Organigrama general de la empresa. ................................................................................ 7

Figura 2. Organigrama del área de trabajo donde se desarrolló la pasantía. ................................... 7

Figura 3. Configuración usada en el método ASTM F1958. ........................................................ 12

Figura 4. Configuración usada en el método ASTM F1959 ......................................................... 13

Figura 5. Programa de salida 1 - Análisis de regresión de la corriente de arco en baja tensión….15

Figura 6. Programa de salida 2 - Análisis de regresión de la corriente de arco en media tensión 15

Figura 7. Programa de salida 3 - Análisis de regresión de En....................................................... 17

Figura 8. Exponente de la distancia para interruptores de potencia de baja tensión ..................... 18

Figura 9. Exponente de la distancia para centros de control de motores y tableros de baja

tensión.................................................................................................................................... 19

Figura 10. Exponente de la distancia para interruptores de potencia de media tensión ................ 20

Figura 11. Relación linealmente proporcional del tiempo de duración de falla y la energía

incidente en la curva tiempo-corriente de un fusible............................................................. 24

Figura 12. Relación del tiempo de duración de falla y la energía incidente según la región de

la curva tiempo-corriente de un interruptor ........................................................................... 25

Figura 13. Característica tiempo corriente típica de un interrptor................................................. 41

Figura 14. Etiqueta de advertencia de riesgo de arco eléctrico ..................................................... 49

Figura 15. Ilustración de fronteras definidas en la NFPA 70E ..................................................... 50

Figura 16. Diagrama unifilar del sistema eléctrico alimentado por 8 generadores de

combustión a gas .................................................................................................................. 54

Figura 17. Diagrama unifilar del sistema eléctrico alimentado por Eleval………………………54


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LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS

V: Voltio

A: Ampere

Ω: Ohm

kV: Kilovoltio

Outsourcing: Recurso externo

HP: Horse power

kW: Kilowatt

kVA: Kilovoltio-ampere

Standby: Reserva

kA: Kiloampere

MVA: Megavoltio-ampere

pu: Por unidad

T.P.: Tablero Principal

Tab: Tablero

EPP: Equipo de protección personal


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CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

En este trabajo se presenta un estudio de riesgo de arco eléctrico en la planta Ford Motor

de Venezuela, S.A. Un estudio de riesgo de arco eléctrico consiste en el análisis y evaluación de

los riesgos de arco eléctrico y de electrocución en una determinada instalación. El estudio de

riesgo realizado está basado en el estándar IEEE 1584-2002 [1], el cual establece la metodología

de cálculo de los principales parámetros asociados al arco eléctrico, tales como la energía

incidente y la distancia de la frontera de protección contra arco eléctrico. El cálculo de riesgo de

arco eléctrico según el estándar mencionado permite especificar las características de las

etiquetas de seguridad que deben ubicarse en los tableros eléctricos, con el fin de que el personal

utilice los implementos de seguridad apropiados, por ejemplo: ropa resistente al fuego, visor de

protección facial, lentes de seguridad y guantes aislados, entre otros.

La empresa multinacional Ford Motor Company tiene un estándar interno denominado

“Diseño y Prácticas para la Prevención de Lesiones debido a Sistemas Eléctricos” (Ford Nº

FAS08-161), según el cual es requerimiento obligatorio para sus plantas la ejecución de un

estudio de riesgo arco eléctrico. Dicho estándar Ford fue desarrollado por el departamento para la

salud y seguridad de la empresa multinacional (Ford Occupational Health and Safety), el cual se

encarga de desarrollar los procedimientos y estándares de la empresa para velar por el bienestar

de los trabajadores y garantizar condiciones seguras de trabajo.

El estándar IEEE 1584-2002 es una “Guía para cálculos de riesgos del arco eléctrico” que

ofrece un comprensivo conjunto de ecuaciones para el cálculo de los niveles de energía incidente

de los arcos y la determinación de las distancias requeridas para las fronteras de protección contra


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arcos, en sistemas trifásicos de corriente alterna. Dichas ecuaciones son el resultado del

desarrollo de un modelo empírico y de un modelo teórico. Las ecuaciones del modelo empírico

son aplicables para tensiones desde 208 V hasta 15 kV, mientras que el modelo teórico esaplicable para cualquier nivel de tensión.

El estudio de riesgo de arco eléctrico debe ser hecho a continuación de un estudio de corto

circuito y de un estudio de coordinación de protecciones. Ford Motor de Venezuela, S.A. encargó

a una contratista el cálculo de los niveles de corto circuito; dicho estudio no estaba listo para el

momento de hacer el presente trabajo. Por esta razón, se procedió a realizar este cálculo, con las

limitaciones derivadas de no estar inicialmente previsto como parte del trabajo. El cálculo del

tiempo adecuado de los dispositivos de protección se debe hacer mediante un estudio de

coordinación, el cual está fuera del alcance de este trabajo; en su defecto, se hizo un recorrido por

las subestaciones principales tomando nota de los tiempos de ajuste actuales de las protecciones.

Dentro de los estándares y los códigos que rigen las normas de seguridad en sistemas

eléctricos, los riesgos de arco no estaban específicamente mencionados como una categoría de

peligro eléctrico por separado sino hasta la quinta edición del estándar NFPA 70E, publicado en

1995, donde se menciona el establecimiento de una frontera de protección contra arcos y el

requerimiento de protección adecuada del personal contra este riesgo en específico [1]. Aunque

desde hace mucho tiempo se conocen los riesgos de la electricidad y existen normas de

seguridad, la mayoría de estas normas estaban enfocadas a evitar los riesgos de electrocución de

los trabajadores o a la prevención de los incendios originados por los cortocircuitos [2].

A partir del año 1996 ha habido programas de pruebas en laboratorios para explorar la

energía incidente de los arcos y sus características, lo cual ha permitido el avance tanto en el

conocimiento de la misma como en el diseño de la vestimenta de protección personal. La

organización ASTM se ha encargado del desarrollo de los métodos de pruebas para la


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3

determinación de la energía incidente que los materiales usados en la vestimenta de protección

puedan soportar y para la investigación de la energía incidente a la cual los trabajadores estarían

expuestos en caso de la presencia de un arco en una instalación eléctrica.Una de las primeras publicaciones sobre este tema fue escrita por Ralph H. Lee en 1982

[3], investigador responsable del desarrollo del modelo teórico incluido en el estándar IEEE

1584-2002, el cual fue el único método disponible durante muchos años. En esta publicación se

resalta este fenómeno como otro de los peligros que implica la electricidad, se presenta

información para la evaluación del grado de los riesgos, se ofrece un resumen de las precauciones

necesarias para evitar lesiones y se presentan fórmulas, basadas en fundamentos teóricos, para el

cálculo de las distancias a la cual las personas pueden recibir quemaduras curables y quemaduras

fatales ante la exposición a un arco.

La carencia de un método empírico que permitiera elaborar un estudio adecuado de los

riesgos del arco eléctrico fue el principal motivo que originó la creación de un grupo de trabajo

del IEEE para tal fin (grupo de trabajo IEEE 1584). La recolección de los resultados obtenidos

en las investigaciones previas y su unión con los nuevos resultados obtenidos en las

investigaciones realizadas por parte del grupo de trabajo IEEE 1584, les permitió elaborar el

estándar IEEE 1584-2002. En este estándar se ofrece, además del modelo teórico de Lee, un

modelo empírico para el cálculo de la energía incidente y la frontera de protección contra arcos,

el cual fue desarrollado aplicando técnicas de análisis estadístico a los resultados recolectados. El

análisis de riesgo de arco eléctrico es un tema que se ha desarrollado de forma relativamente

reciente; sin embargo, ya es posible ubicar algunos artículos técnicos en la literatura

especializada [15]-[30].

Los accidentes eléctricos son comunes en las instalaciones industriales, especialmente si

no se ha hecho un análisis que permita tomar las medidas pertinentes para evitarlos. En Ford


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4

Motor de Venezuela, S.A. ha habido algunos casos de accidentes eléctricos como la electrocución

de un operario mientras apretaba un tornillo de un tablero de 480 V, por contacto accidental entre

las barras y el destornillador, o las quemaduras de un operario debido a la presencia de un arcoeléctrico cuando se encontraba midiendo tensión en un centro de control de motores.

La aplicación del estándar IEEE 1584-2002 por parte de Ford Motor de Venezuela, S.A.

puede ser de vital importancia para reducir los riesgos asociados a los arcos eléctricos para el

personal. Adicionalmente, considerando lo novedoso de esta metodología, la aplicación del

mencionado estándar es importante para mejorar su conocimiento por parte de esta empresa y de

otras empresas relacionadas con el asunto (empresas contratistas, por ejemplo).

Desde esta perspectiva, la importancia del trabajo que se describe en este informe es

contribuir con el conocimiento del estándar IEEE 1584-2002, mediante la descripción detallada

de los procedimientos de cálculo indicados en la norma, la explicación de los principales

fundamentos en los cuales se basa dicho estándar y la presentación de algunos ejemplos de

cálculo, correspondientes al sistema eléctrico de la planta de Ford Motor de Venezuela, S.A.


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CAPÍTULO 2

DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA Y OBJETIVOS DEL TRABAJO

2.1. Descripción de la empresa

Ford Motor Company es una empresa global ensambladora de vehículos automotores.

Cuenta con plantas de fabricación de automóviles en Estados Unidos, Argentina, Australia,

Brasil, Canadá, México, Sudáfrica, Taiwán, Unión Europea y Venezuela, y está asociada con las

siguientes compañías automotrices: Mazda, de Japón; Kia, de Corea; Aston Martin y Jaguar,

ambas de Gran Bretaña.

La corporación Ford Motor Company fue fundada por Henry Ford y 11 socios en el año

1903, y la prolongación de su éxito a través de los años ha hecho que esta empresa cuente hoy en

día con más de 60000 compañías proveedoras en el mundo y que sea catalogada como la segunda

de las 500 corporaciones industriales norteamericanas con mayores ventas en el mundo.

En 1962, Ford Motor comenzó el ensamblaje de vehículos en Venezuela, en su planta

ubicada en la Av. Henry Ford de la Zona Industrial Sur de Valencia, ocupando un terreno de

416234 m2. Hoy en día son ensamblados en esta planta los modelos Ka, Fiesta Power, Cargo, F-

350 y Explorer.

Esta planta tiene una red de distribución en 13.8 kV, y cuenta con dos sistemas de

suministro eléctrico independientes: uno de ellos se alimenta de una planta de generación

denominada Energy Works, que constituye un outsourcing para el suministro eléctrico de Ford

Motor de Venezuela, S.A., y la otra parte del suministro eléctrico se obtiene de la compañía de

distribución eléctrica denominada Eleval.


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6

En la figura 1 se puede observar el organigrama general de la empresa y en la figura 2 se

muestra el organigrama del área de trabajo donde se desarrolló la pasantía.

2.2. Objetivos del trabajo

El objetivo principal del trabajo es realizar el estudio sobre los riesgos que acarrea el arco

eléctrico en la planta Ford Motor de Venezuela S.A., según el estándar IEEE 1584-2002, y de esa

manera identificar adecuadamente los tableros de la empresa, con el fin de obtener la mayor

seguridad y protección posible para las personas involucradas en los trabajos eléctricos que se

realicen en la planta.

Los objetivos específicos son los siguientes:

• Estudiar el estándar IEEE 1584-2002 y sus fundamentos.

• Estudiar los riesgos asociados a la exposición del cuerpo humano a un arco eléctrico.

• Analizar el riesgo de arco eléctrico en la planta Ford Motor de Venezuela, S.A., según el

estándar IEEE 1584-2002.

• Presentar los resultados del análisis de riesgo de arco eléctrico.


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Figura 1. Organigrama general de la empresa

Figura 2. Organigrama del área de trabajo donde se desarrolló la pasantía

DIRECTOR DE OPERACIONES

DE PLANTAA. VON ZIEGLER

DIRECTOR DE COMECIALIZACIÓN,

VENTAS Y SERVICIOSHECTOR PÉREZ

DIRECTOR DE PROCURA EINGENIERÍA

SALVADOR LA CASCIO

DIRECTOR DE GERENCIA DEFORD CREDIT

RAUL CARRIÓN

DIRECTOR DE VENTAS EN COLOMBIAIGNACIO ORTIZ

PRESIDENTE FORD ANDINAEDUARDO SERRANO

DIRECTOR DE FINANZASDAVID CRISPINO

DIRECTOR DE EMPLEADOS Y

ASUNTOS EXTERNOSEDUARDO CHOCRON

DIRECTOR DE TECNOLOGÍA DEINFORMACIÓN

GUSTAVO MATA

DIRECTOR DE ASUNTOS LEGALESIRENE GIMON

DIRECTOR DE SERVICIO AL CLIENTENORBERTO DA SILVA

DIRECTOR DE OPERACIONES

DE PLANTAA. VON ZIEGLER

DIRECTOR DE COMECIALIZACIÓN,

VENTAS Y SERVICIOSHECTOR PÉREZ

DIRECTOR DE PROCURA EINGENIERÍA

SALVADOR LA CASCIO

DIRECTOR DE GERENCIA DEFORD CREDIT

RAUL CARRIÓN

DIRECTOR DE VENTAS EN COLOMBIAIGNACIO ORTIZ

PRESIDENTE FORD ANDINAEDUARDO SERRANO

DIRECTOR DE FINANZASDAVID CRISPINO

DIRECTOR DE EMPLEADOS Y

ASUNTOS EXTERNOSEDUARDO CHOCRON

DIRECTOR DE TECNOLOGÍA DEINFORMACIÓN

GUSTAVO MATA

DIRECTOR DE ASUNTOS LEGALESIRENE GIMON

DIRECTOR DE SERVICIO AL CLIENTENORBERTO DA SILVA

Director de Operaciones de PlantaA. Von Ziegler

Gerente de ProducciónC. Isler

Gerentede CalidadJ. Santiago

Manager de Planificación deMateriales y Logística

C. Correa

Superintendentede Ingenieríade PlantaD. Parchow

Superintendentede Ingenieríade ManufacturaR. Moreno

Superintendentede PinturaG, Blanco

Coordinador de Mantenimiento - H. RamirezSupervisor de Mantenimiento - L. ParzanesseSupervisor de Mantenimiento - J. CamaranSupervisor de Mantenimiento - C. CarriónSupervisor de Mantenimiento - R. GarmendiaSupervisor de Mantenimiento - M. Oviedo

Superintendentede Ensamblajede Vehículosde Pasajeros

J. Martell

Superintendentede Ensamblajede Camiones

O. Negron

Superintendentede CarroceríaJ. Martell

Pre-ProductoSuministro de Cadena

W. Ussher

Suministro de Cadena y AduanaM. Limongi

Coordinador deProgramación, Planificación

T.B.D

Coordinador de Especificacionesy Auditoría

B. Ruiz

Supervisor de Logísticade Planta

L. Pinto

Gerente de Relaciones LaboralesL .Saaghy

Supervisor de Material, Costo deFlete y Desarrollo de Productos

L. López

Supervisor de Seguridad eHigiene

I. Medina

Área donde sedesarrolló la

pasantía

Director de Operaciones de PlantaA. Von Ziegler

Gerente de ProducciónC. Isler

Gerentede CalidadJ. Santiago

Manager de Planificación deMateriales y Logística

C. Correa

Superintendentede Ingenieríade PlantaD. Parchow

Superintendentede Ingenieríade ManufacturaR. Moreno

Superintendentede PinturaG, Blanco

Coordinador de Mantenimiento - H. RamirezSupervisor de Mantenimiento - L. ParzanesseSupervisor de Mantenimiento - J. CamaranSupervisor de Mantenimiento - C. CarriónSupervisor de Mantenimiento - R. GarmendiaSupervisor de Mantenimiento - M. Oviedo

Superintendentede Ensamblajede Vehículosde Pasajeros

J. Martell

Superintendentede Ensamblajede Camiones

O. Negron

Superintendentede CarroceríaJ. Martell

Pre-ProductoSuministro de Cadena

W. Ussher

Suministro de Cadena y AduanaM. Limongi

Coordinador deProgramación, Planificación

T.B.D

Coordinador de Especificacionesy Auditoría

B. Ruiz

Supervisor de Logísticade Planta

L. Pinto

Gerente de Relaciones LaboralesL .Saaghy

Supervisor de Material, Costo deFlete y Desarrollo de Productos

L. López

Supervisor de Seguridad eHigiene

I. Medina

Área donde sedesarrolló la

pasantía


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CAPÍTULO 3

RIESGO DE ARCO ELÉCTRICO EN INSTALACIONES INDUSTRIALES

Cuando los equipos eléctricos se encuentran bajo examinación, ajuste, servicio, o

mantenimiento mientras están energizados, siempre existe el riesgo de que ocurran accidentes

debidos a electrocución y a la presencia de arcos eléctricos. El arco eléctrico es la circulación de

corriente, a través del aire, entre dos superficies conductoras y energizadas, y puede ser

ocasionado por cortocircuitos por contacto accidental, conexiones flojas o inapropiadas y por

fallas de aislamiento.

El factor principal y de vital importancia por el cual la industria en general debe velar es

la seguridad de sus empleados. La importancia de entender los riesgos a los cuales las personas

están expuestas ante trabajos en sistemas eléctricos conlleva directamente al desarrollo y la

ejecución de procedimientos para lograr una condición segura de trabajo que las salvaguarde.

Una condición segura de trabajo en sistemas eléctricos se lleva a cabo en conjunto con un

procedimiento de control y despeje de energía eléctrica para desenergizar los conductores o

partes del circuito a las cuales los trabajadores pueden estar expuestos.

Sin embargo, en asignaciones en las que el personal tenga que trabajar sobre un equipo

energizado se debe hacer previamente un análisis de riesgos de electrocución y de arco eléctrico

para tomar las medidas preventivas necesarias. El análisis de riesgos de electrocución debe

determinar la tensión a la cual el personal estará expuesto, las distancias de las fronteras de

protección contra electrocución y el equipo de protección personal contra electrocución. Las

fronteras de protección contra electrocución son los límites de aproximación segura a un

componente eléctricamente energizado. El análisis de riesgos de arco eléctrico debe determinar la


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distancia de la frontera de protección contra arcos y el equipo de protección personal contra

arcos. La frontera de protección contra arcos es el límite de aproximación a las partes energizadas

que no estén aisladas y expuestas a que una persona padezca una quemadura de segundo grado encaso de ocurrir un evento de arco eléctrico.

3.1. Riesgos ante la exposición de arcos eléctricos

La fuente de temperatura más alta conocida en la tierra es el láser, que es capaz de

alcanzar los 100000 °C. El arco eléctrico es, después del láser, la mayor fuente de calor sobre la

tierra. Se han reportado confiablemente que en las superficies conductoras entre las cuales circula

el arco eléctrico las temperaturas pueden llegar a 20000 °C, cuatro veces tan calientes como la

temperatura de la superficie del sol, lo cual puede causar quemaduras fatales [3]. La temperatura

normal de la sangre del cuerpo humano es de 36.5 °C. A una temperatura de 44 °C, el mecanismo

de equilibrio de temperatura del cuerpo humano comienza a colapsar cerca de 6 horas, después de

este tiempo comienza a ocurrir daño celular (piel sin cura). Entre 44 y 51 °C, la tasa de

destrucción celular se dobla por cada 1 °C que aumente la temperatura, y por encima de 51 °C la

tasa es extremadamente rápida. A 70 °C tan sólo un segundo es suficiente, para lograr la

destrucción total de las células y por encima de 96º C solo basta con 0.1 segundos para que esto

ocurra [3]. Esto nos da una idea de los riesgos de los efectos térmicos de la energía incidente del

arco sobre el cuerpo humano, pero éste no es el único peligro.

Los conductores eléctricos generalmente son hechos de cobre. Durante una falla de arco,

las altas temperaturas causan la expansión del cobre sólido durante su ebullición. El cobre tiene

un factor de expansión de 67000 cuando se evapora, mucho mayor al del agua que se expande

1670 veces cuando se convierte en vapor. Por ejemplo, si 53 kW vaporizan 0.328 cm3 de cobre,

se producen entonces 54907 cm3 de vapor. Esto ocasiona, cuando se origina un arco, la expulsión


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10

de vapor ionizado (plasma) y de gotas de metal fundido suficientemente calientes, a temperaturas

de 1000 ºC o más, como para encender la ropa en llamas y causar quemaduras fatales [4].

Adicionalmente, a las fuertes presiones causadas por el cambio de estado del metal, el camino deaire recorrido por el arco se calienta de la temperatura ambiente a la temperatura del arco,

provocando sonidos explosivos y se entiende entonces que ocurre un fenómeno similar al de un

trueno, que es el sonido provocado por la rápida expansión del aire cuando es calentado por la

corriente del rayo.

Entonces, además de las lesiones por quemaduras ocasionadas por el arco, los

trabajadores pueden sufrir daño auditivo, daño pulmonar, caídas y colisiones debidas a la presión

desarrollada por el mismo, así como también puede producir daño a los equipos y a las

estructuras que se encuentren alrededor. La importancia de tomar conciencia de los riesgos a los

cuales las personas están expuestas, conlleva a la aplicación y optimización de las medidas

pertinentes que proporcionen la mayor seguridad posible.

3.2. Historia de regulaciones y estándares

En 1990, la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA, Occupational

Safety & Health Administration) del Departamento del Trabajo de los Estados Unidos, menciona

el requerimiento de equipo de protección para los ojos y el rostro contra arcos eléctricos y objetos

expulsados por explosiones eléctricas en el estándar 1910.335 (Subparte S). Luego, en 1994 en el

estándar 1910.269 (Subparte R) menciona el requerimiento de evitar el uso de cierta vestimenta

(nailon, acetato, poliéster o rayón) que incremente el grado de las quemaduras que el personal

pueda padecer ante la presencia de un arco, basándose en información generada por el comité

ASTM F-18, pero no se recomienda equipo de protección personal.


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El comité ASTM F-18 fue formado en 1974 y su objetivo es el desarrollo de métodos de

pruebas y el desarrollo de materiales y equipos usados por trabajadores para protección contra

riesgos eléctricos. En su esfuerzo por definir un criterio de prueba para la evaluación del grado de protección que un material específico provee, a mediados de 1994 publicó el estándar ASTM

F1506. A pesar de que este documento no define un criterio de prueba, elimina el uso de ciertos

materiales en la vestimenta utilizada por el personal durante trabajos eléctricos.

La organización internacional NFPA (National Fire Protection Association) reconoció que

el estándar NFPA 70E estaba obsoleto y, a petición de la OSHA, publicó una nueva edición de

este estándar el 7 de febrero de 1995. En la parte II del capítulo 3 presenta una descripción del

equipo de protección personal recomendado, y en el apéndice B se incluye un ejemplo de cálculo

de la frontera de protección contra arcos basado en fórmulas teóricas desarrolladas por Lee [3].

En 1996, el comité ASTM F-18 aprobó dos métodos de pruebas donde se usan arcos

monofásicos para determinar el grado de inflamabilidad y el desenvolvimiento térmico de tejidos

usados en la ropa del personal que se expone a los riesgos de los arcos eléctricos. El primer

método de prueba, el ASTM PS57 (llamado luego ASTM F1958), determina el grado de

inflamabilidad de un material textil de una o de múltiples capas. Este método de prueba es usado

para identificar materiales que son inflamables y determinar la energía incidente de arco que

causa su ignición. 50 camisas de cada material textil son montadas en un maniquí instrumentado

con calorímetros y son expuestas a arcos eléctricos para determinar el grado de inflamabilidad de

la tela. En la figura 3 se puede apreciar la configuración usada. El segundo método de prueba, el

ASTM PS58 (llamado luego ASTM F1959), cuantifica el desenvolvimiento térmico de un

material textil resistente al fuego. Este método expone un material ante la energía térmica de un

arco eléctrico y mide el valor de la categoría de arco o ATPV (Arc Thermal Performance Value)

del material. El ATPV o categoría de arco es una clasificación térmica, es el valor atribuido a los


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materiales que describe su comportamiento ante la exposición de una descarga de arco eléctrico.

También se puede definir como la máxima energía incidente que un material puede resistir. El

procedimiento de prueba utiliza 3 paneles instrumentados con calorímetros los cuales estáncubiertos con el material que se estudia. En la figura 4 se puede ver la configuración usada.

En septiembre del 2002, después de varios años de investigación y de ejecución de

programas de pruebas de arcos eléctricos, finalmente es publicado el estándar IEEE 1584 “Guía

para cálculos de riesgos del arco eléctrico”.

Figura 3. Configuración usada en el método ASTM F1958


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13

Figura 4. Configuración usada en el método ASTM F1959

3.3. Desarrollo del estándar IEEE 1584-2002

El grupo de trabajo IEEE 1584 fue formado para presenciar y llevar a cabo pruebas de

laboratorio para extender el rango de resultados obtenidos en previas pruebas publicadas y no

publicadas, y así poder desarrollar un modelo empírico aplicando técnicas de análisis estadístico

a los resultados recolectados. El modelo empírico consiste en un conjunto de ecuaciones para el

cálculo de los niveles de energía incidente de los arcos y fronteras de protección contra arcos en

sistemas trifásicos de corriente alterna. Un modelo teórico desarrollado por el investigador Ralph

H. Lee, es incluido en el estándar para ser aplicado en casos fuera del rango del modelo empírico.

3.3.1. Desarrollo de las ecuaciones de la corriente de arco

El grupo de trabajo IEEE 1584 encontró que para el desarrollo de las ecuaciones de

corriente de arco, el mejor ajuste para los datos es una ecuación que incluya la función logaritmo

de la corriente de falla sólida y de la corriente de arco. En la figura 5 se presenta una copia del

reporte del programa de análisis estadístico usado para encontrar log(Ia) como función de las


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demás variables para casos en baja tensión. Este reporte fue generado después de eliminar las

variables que no tienen efecto alguno sobre la corriente de arco tras varios análisis significativos.

La ecuación puede ser extraída de este programa de salida. Los términos de la ecuación están enla columna “Term” y los coeficientes en la columna “Coef”. El coeficiente “Open/Box” es

substraído del coeficiente “Constant” para configuraciones abiertas y es añadido al coeficiente

“Constant” para configuraciones cerradas o tipo caja. El resultado es mostrado en la ecuación 3.a:

lg I a = K + 0.662 lg I bf + 0.0966 V + 0.000526 G + 0.5588 V (lg I bf ) – 0.00304 G (lg I bf ) ( 3.a)

Donde:

lg es el logaritmo base 10, log10

I a es la corriente de arco (kA)

K es -0.153 para configuraciones abiertas y

es -0.097 para configuraciones cerradas o tipo caja

I bf es la corriente sólida de falla para fallas trifásicas (RMS simétrico) (kA)

V es la tensión del sistema (kV)

G es la distancia típica entre conductores (mm)

En el caso de media tensión (>1000 V) la corriente sólida de falla fue la única variable

significante. En la figura 6 se presenta una copia del reporte del programa de análisis estadístico

usado para encontrar log10 de la corriente de arco para casos de media tensión. Los términos

mostrados en esta figura están ilustrados en la ecuación 3.b:

lg I a = 0.00402 + 0.983 lg I bf (3.b)


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Figura 5. Programa de salida 1 - Análisis de regresión de la corriente de arco en bajatensión

Fuente: IEEE Guide fo performing Arc Flash Hazard Calculations, IEEE Std 1584-2002.

Figura 6. Programa de salida 2 - Análisis de regresión de la corriente de arco en mediatensión



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3.3.2. Desarrollo de las ecuaciones de la energía incidente

De extensos análisis estadísticos se desarrolló una ecuación para el log10 de la energía

incidente nomalizada para una duración de arco de 200 ms y una distancia del arco a loscalorímetros de 610 mm. Esta ecuación es:

lg E n = K 1 + K 2 + 1.081 lg I a + 0.0011 G (3.c)

Donde:

E n es la energía incidente normalizada para tiempo y distancia

K 1 es -0.792 para configuraciones abiertas

es -0.555 para configuraciones tipo caja

K 2 es 0 para sistemas no puestos a tierra y para sistemas puestos a tierra de alta

resistencia

es -0.113 para sistemas puestos a tierra


G es la distancia entre conductores (mm)

Una copia del reporte del programa de análisis estadístico usado para obtener esta

ecuación es presentada en la figura 7. Los términos de la ecuación están en la columna

“predictor” y los coeficientes en la columna “Coef”. El término “Box_code” es asignado 0 para

configuraciones abiertas, 1 para configuraciones tipo caja. El término “Ground_c” es 0 para

sistemas no puestos a tierra, 1 para sistemas puestos a tierra.


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Figura 7. Programa de salida 3 - Análisis de regresión de EnFuente: IEEE Guide fo performing Arc Flash Hazard Calculations, IEEE Std 1584-2002.

Luego, para que esta ecuación sea aplicable a casos reales es convertida en:

)610)(2.0

( x

x

n f D

t E C E =

Donde:

E es la energía incidente (cal/cm2)

C f es un factor de cálculo

1.0 para tensiones por encima de 1kV

1.5 para tensiones igual a o por debajo de 1kV

E n es la energía incidente normalizada

t es el tiempo de duración del arco (segundos)

D es la distancia desde el punto posible donde ocurre el arco hasta la persona (mm)

x es el exponente de la distancia


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Cf es un factor de cálculo para alcanzar un nivel de confidencia numérica del 95%. El

modelo básico desarrollado en los análisis estadísticos fue nuevamente analizado para comparar

el equipo de protección personal requerido para cada punto de prueba basado en la energíaincidente medida con los calorímetros con el equipo de protección personal determinado usando

el valor de energía incidente calculado con la ecuación derivada.

La distancia hacia el arco eléctrico reduce la energía incidente basada en un exponente.

Para casos de arcos al aire libre el exponente x es igual a 2 debido a que teóricamente la física

sugiere una reducción de la distancia al cuadrado [3]. Pero el exponente x no es 2 para casos en

que los arcos ocurren dentro de equipos y es derivado aplicando un programa de ajuste de curvas

a los datos de las pruebas de arco realizadas dentro de distintos tipos de equipo.

Un exponente para interruptores de potencia de baja tensión se obtiene basándose en los

resultados de las pruebas hechas en arcos dentro de una caja cúbica de 508 mm x 508 mm x 508

mm [5]. En la figura 8 se puede observar la ecuación de ajuste de la curva y el valor del

exponente de la distancia para interruptores de potencia de baja tensión.

Figura 8. Exponente de la distancia para interruptores de potencia de baja tensión Fuente: IEEE Guide fo performing Arc Flash Hazard Calculations, IEEE Std 1584-2002.


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19

Un exponente para centros de control de motores y tableros de baja tensión se obtiene

basándose en los resultados de pruebas hechas con arcos dentro de una caja de 356 mm x 305

mm x 191 mm. En la figura 9 se puede observar la ecuación de ajuste de la curva y el valor delexponente de la distancia para centros de control de motores y tableros de baja tensión.

Figura 9. Exponente de la distancia para centros de control de motores y tableros de bajatensión


Un exponente para interruptores de potencia de media tensión se obtiene basándose en los

resultados de pruebas hechas en arcos dentro de una caja de 1143 mm x 762 mm x 762 mm. En la

figura 10 se puede observar la ecuación de ajuste de la curva y el valor del exponente de la

distancia para interruptores de potencia de media tensión.


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Figura 10. Exponente de la distancia para interruptores de potencia de media tensiónFuente: IEEE Guide fo performing Arc Flash Hazard Calculations, IEEE Std 1584-2002.

3.4. Rango del modelo empírico del Estándar IEEE 1584-2002

Este modelo empírico el cual está basado en análisis estadístico y en programas de

aproximación de curvas es aplicable para sistemas con:

o Tensiones en el rango de 208 V - 15000 V

o Frecuencias de 50 Hz o 60 Hz.

o Corrientes de falla sólida en el rango de 700 A - 106 000 A.

o Todo tipo de casos puestos a tierra y casos no puestos a tierra.

o Equipos con gabinetes de tamaños comúnmente encontrados.

o Distancias entre conductores de 13 mm - 152 mm.

o

Fallas trifásicas.El uso del modelo empírico es recomendado dentro de los parámetros establecidos. El

modelo teórico basado en la investigación de Ralph H. Lee es aplicable para sistemas trifásicos

en subestaciones al aire libre y sistemas de distribución y de transmisión al aire libre. Para casos

donde la tensión del sistema sea mayor a 15 kV o la distancia entre conductores esté fuera del


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rango, el método teórico de Lee puede ser aplicado. Este modelo pretende ser usado en

aplicaciones donde ocurran fallas trifásicas. En sistemas monofásicos o donde no ocurran fallas

trifásicas este modelo proporcionará resultados no moderados.

3.5. Conclusiones del grupo de trabajo IEEE 1584 de los análisis de los resultados

o La energía incidente es proporcional al tiempo de duración del arco.

o La distancia del arco a los calorímetros tiene una influencia inversamente

exponencial, con un exponente dependiente del tamaño del gabinete o caja.

o La relación X/R del sistema, la frecuencia, el material de los electrodos, y otras

variables que fueron consideradas no tienen gran efecto, o no tienen efecto alguno,

sobre la corriente de arco ni sobre la energía incidente.

o La corriente de arco depende primariamente de la corriente de falla. La distancia entre

conductores en el punto de la falla, la tensión del sistema, y el tipo de puesta a tierra

son factores insignificantes.

o La energía incidente depende primariamente de la corriente de arco calculada. La

distancia entre conductores en el punto de la falla es un factor insignificante.


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CAPÍTULO 4

PASOS PARA EL ESTUDIO DE RIESGO DE ARCO ELÉCTRICO SEGÚN

ESTÁNDAR IEEE 1584-2002

Un estudio de riesgo de arco eléctrico consiste en el análisis y evaluación de los riesgos

de arco eléctrico y de electrocución en una determinada instalación. El propósito del estudio es

determinar la categoría o nivel del equipo de protección personal a usar en las distintas

ubicaciones de las instalaciones eléctricas y documentar los niveles de energía incidente, la

distancia de la frontera de protección contra arcos y las distancias de las fronteras de protección

contra electrocución en etiquetas de advertencia de riesgo de arco eléctrico a ser colocadas

debidamente en cada una de las ubicaciones correspondientes al análisis.

4.1. Recolectar los datos del sistema y de las instalaciones eléctricas

En un estudio de riesgos de arco eléctrico, la seguridad de los trabajadores está ligada

directamente con la precisión de la recolección de los datos. El análisis requiere la finalización de

un estudio de cortocircuito y de un estudio de coordinación de protecciones. Los resultados de los

cálculos del estudio de arco eléctrico son basados en los resultados de las magnitudes de

corrientes de falla obtenidas en el estudio de cortocircuito, en los tiempos de despeje

determinados por el estudio de coordinación de los dispositivos de protección y en los parámetros

físicos de la ubicación del equipo o pieza eléctrica correspondiente al análisis.

El proceso y metodología para cálculos de corrientes de cortocircuito y para la

coordinación de un dispositivo de protección que cumplan con la guía IEEE 1584 están cubiertos

en el estándar IEEE 141-1993 [6], y el estándar IEEE 242-2001, respectivamente.


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El estándar IEEE 1584 menciona que en el estudio de cortocircuito se deben tomar en

cuenta sólo motores mayores a 50 HP (37 kW) y que no se deben considerar equipos que trabajen

con tensiones menores a 240 V, a menos a que tengan por lo menos un transformador de 125kVA o mayor luego de su fuente de alimentación.

4.2. Determinar los modos de operación del sistema

En lugares con un sistema de distribución radial hay solo un modo de operación, que

puede ser llamado modo de operación normal. Por el contrario, un sistema complejo puede tener

varios modos de operación como por ejemplo:

- Uno o más alimentadores en servicio.

- Subestación con uno o más alimentadores principales en servicio.

- Subestación con dos transformadores con lazo secundario abierto o cerrado.

- Centro de control de motores con uno o dos alimentadores, uno o ambos energizados.

- Generadores funcionando en paralelo o en standby.

El propósito de la determinación de los modos de operación, es la obtención del valor

mínimo y máximo de la corriente de falla del arco en los sitios de interés permitiendo de esta

manera la elaboración del análisis adecuado dependiendo del dispositivo de protección aguas

arriba. Para la mayoría de las ubicaciones eléctricas que están protegidas por un fusible, la

mínima corriente de falla del arco representa el peor de los casos para el cálculo de la energía

incidente, ya que en la curva tiempo-corriente de los fusibles a menor corriente de falla mayor

será el tiempo para que el fusible despeje la falla lo cual implica, como se aprecia más adelante

en las ecuaciones para el cálculo de la energía incidente (ver 4.8.1.), un mayor valor de energía


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incidente ya que la misma tiene una relación directamente proporcional con la duración del

tiempo de la falla. En la figura 11 se puede apreciar un ejemplo de esto.

Figura 11. Relación linealmente proporcional del tiempo de duración de falla y laenergía incidente en la curva tiempo-corriente de un fusible

Fuente: H. W. Tinsley y M. Hodder, “A practical Approach to Arc Flash Hazard Analysis and Reduction” IEEE Trans. Ind. Applicat ., vol. 41, pp. 144-154, Ene./Feb. 2005.

Para ubicaciones eléctricas protegidas por un interruptor el peor de los casos para el

cálculo de la energía incidente varía con la característica de despeje de la región de la curva

tiempo-corriente por donde cruce el valor de la corriente de falla del arco. Si el valor de la

corriente de falla del arco cruza la región de la curva tiempo-corriente en la que el tiempo

permanece constante, entonces la máxima corriente de falla del arco representará el peor de los

casos para el cálculo de la energía incidente. Mientras que en las regiones en las que la


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25

característica de disparo es inversa, el menor valor de corriente de falla del arco representará el

peor de los casos para el cálculo de la energía incidente. En la figura 12 se puede apreciar un

ejemplo de esto.

Figura 12. Relación del tiempo de duración de falla y la energía incidente según laregión de la curva tiempo-corriente de un interruptor

Fuente: H. W. Tinsley y M. Hodder, “A practical Approach to Arc Flash Hazard Analysis and Reduction” IEEE Trans. Ind. Applicat ., vol. 41, pp. 144-154, Ene./Feb. 2005.

4.3. Determinar las corrientes de falla sólida

Hay que obtener la corriente RMS simétrica de falla sólida en cada punto de interés. El

proceso y metodología para cálculos de corrientes de cortocircuito que cumplen con la guía IEEE

1584 están cubiertos en el estándar IEEE 141-1993, el cual sólo toma en consideración el cálculo

de corrientes de cortocircuito para el caso de fallas trifásicas alegando que este tipo de fallas


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generalmente ocasionan la máxima corriente de cortocircuito en sistemas trifásicos y que además,

de esta manera, se simplifican los cálculos.

Aún cuando en la gran mayoría de las investigaciones en el campo del arco eléctrico sehan experimentado con corrientes de arco asociadas con fallas trifásicas, es importante evitar

ignorar que las condiciones de riesgo de los arcos eléctricos pueden presentarse bajo otro tipo de

fallas y que el peor de los casos para el cálculo de la energía incidente puede darse tanto con la

condición de falla que proporcione la mayor magnitud de corriente de falla como con la que

proporcione la menor magnitud de corriente de falla.

4.4. Determinar las corrientes de falla del arco

El nivel de corriente de falla del arco en un determinado punto depende principalmente

del nivel de corriente de falla sólida, por consiguiente, la contribución de los motores añade

corriente a la corriente del arco. Sin embargo, esta porción de la corriente de falla del arco no

fluye por el dispositivo de protección aguas arriba del punto de interés en estudio, por lo tanto, no

hace que los dispositivos con características de tiempo inverso disparen más rápido de lo que lo

harían cuando no haya carga de motores presente. Lo que sí ocurre, es que el valor de la energía

incidente y de la frontera de protección contra arcos aumentaría a medida que incremente la

contribución de los motores sin ocasionar alguna reducción del tiempo de falla. Esto se debe a

que la energía incidente es proporcional a la corriente de arco. Entonces, primero mediante el

estudio de cortocircuito se debe determinar la corriente de falla sólida que fluye por el dispositivo

de protección sin tomar en cuenta la contribución de falla de los alimentadores ni de los motores

aguas abajo para así luego encontrar la porción de la corriente de falla del arco que fluye por el

correspondiente dispositivo de protección aguas arriba y el tiempo de duración del arco. Aunque


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en el estándar IEEE 1584 no se mencione nada al respecto, lo más sensato sería determinar

nuevamente la corriente de falla sólida, pero esta vez tomando en cuenta las contribuciones de

falla de los alimentadores y de los motores aguas abajo para luego calcular la magnitud de lacorriente del arco que debería ser ingresada posteriormente en las ecuaciones utilizadas para el

cálculo de la energía incidente (ver 4.8.1.) y de la distancia de la frontera de protección contra

arco (ver 4.9.1.).

El valor calculado de la corriente de falla del arco será menor que el valor de la corriente

de falla sólida debido a la impedancia propia del arco, especialmente para sistemas de tensión

menores a 1000 V. Para aplicaciones de medio voltaje la corriente del arco todavía es un poco

menor a la corriente de falla sólida.

4.4.1. Ecuaciones para determinar la corriente de arco:

Para sistemas eléctricos con tensión por debajo de 1000 V:

lg I a = K + 0.662 lg I bf + 0.0966 V + 0.000526 G + 0.5588 V (lg I bf ) – 0.00304 G (lg I bf ) (1)

Donde:

lg es el logaritmo base 10, log10


K es -0.153 para configuraciones abiertas y

es -0.097 para configuraciones cerradas o tipo caja



G es la distancia típica entre conductores (mm) (ver Tabla II)


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La corriente del arco es calculada para determinar el tiempo de operación del dispositivo

de protección, el cual será el tiempo de duración del arco. Además, debido a las variaciones de la

corriente de arco en baja tensión, para sistemas eléctricos de tensión por debajo de 1000 V, sedebe calcular una segunda corriente de arco igual al 85% de I a para determinar una segunda

duración de arco. La energía incidente es lineal con el tiempo (ver 4.8.) entonces la duración del

arco podría tener un gran efecto sobre la misma. Como consecuencia, se calculan dos valores de

energía incidente y el de mayor magnitud se toma como el resultado final.

Para sistemas eléctricos con tensión igual o mayor a 1000 V:

lg I a = 0.00402 + 0.983 lg I bf (2)

Luego:

⇒ I a = 10lg I a (3)

Para casos en que la tensión del sistema esté por encima de los 15 kV, la corriente de arco

I a es considerada igual a la corriente sólida de falla I bf

4.5. Obtener características del dispositivo de protección y duración del

arco

En el caso de fusibles, las curvas tiempo-corriente del fabricante deben incluir el tiempo

de fusión (melting time) y el tiempo de despeje (clearing time). Si esto es así, entonces se debe

usar el tiempo de despeje. Si las curvas sólo muestran el tiempo de fusión promedio (average

melt time), hay que sumarle a ese tiempo el 15 %, hasta los 0.03 segundos, y el 10 % por encima

de 0.03 segundos para determinar el tiempo total de despeje. Si la corriente de falla del arco está

por encima del tiempo total de despeje en la parte inferior de la curva (0.01 segundos), entonces

se usa 0.01 segundos para el tiempo de duración del arco.


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Para interruptores con unidades de disparo integral, las curvas tiempo-corriente del

fabricante incluyen el tiempo de disparo y el tiempo de despeje.

Para interruptores operados por relés, las curvas del relé sólo muestran el tiempo deoperación en la región de tiempo de retardo (time delay). Para relés operando en su región

instantánea, se permiten 16 milisegundos por operación en sistemas de 60 Hz. El tiempo de

apertura del interruptor debe ser sumado a estos 16 milisegundos. En la Tabla I se muestran

tiempos recomendados de operación para interruptores. Obviamente, es recomendable que los

tiempos de apertura para interruptores sean verificados consultando la literatura del fabricante.

Tabla I – Tiempos de operación para interruptores

Tipo y Rating del BreakerTiempo de apertura

a 60 Hz (ciclos)

Tiempo deapertura

(segundos)

Baja tensión (caja moldeada)(


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4.6. Documentar las tensiones del sistema y las clases de los equipos

Para cada punto de interés se debe documentar la tensión del sistema y la clase del equipo.

De esta forma se puede decidir cuál valor de distancia típica entre conductores, de los que se

encuentra en la Tabla II, correspondería ingresar en las ecuaciones que lo ameriten (ver 4.4.1. y

4.8.1.) para el análisis del equipo correspondiente. El uso de esta tabla permitirá la aplicación de

las ecuaciones basándose en clases estándar de equipos y distancias estándar entre conductores.

TABLA II - Clases de equipo y distancia típica entre conductores

Tensión del sistema (kV) Tipo de equipoDistancia típica

entre conductores(mm)

Aire libre 10-40Interruptores de potencia 32

CCM y tableros 250.208 - 1

Cable 13

Aire libre 102Interruptores de potencia 13-102> 1 -5Cable 13

Aire libre 13-153Interruptores de potencia 153> 5 -15

Cable 13Fuente: IEEE Guide fo performing Arc Flash Hazard Calculations, IEEE Std 1584-2002.

4.7. Seleccionar las distancias de trabajoLa distancia de trabajo para la protección contra arcos está basada en el nivel de energía

incidente en la cara y el torso de la persona, y no en la energía incidente en las manos o brazos.

La razón es porque la cabeza y el torso representan un gran porcentaje del área de la superficie

total de la piel y las lesiones en estas áreas atentan en mayor proporción contra la vida que


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quemaduras en las extremidades. La documentación de las tensiones del sistema y las clases de

equipos propuesta en el paso anterior es también útil en este paso para determinar cuál de los

valores de las distancias típicas de trabajo que se presentan en la Tabla III correspondería ingresaren las ecuaciones que lo ameriten (ver 4.8.1.) para el análisis del equipo correspondiente.

TABLA III – Clases de equipo y distancias típicas de trabajo

Clases de equipoDistancia típica de

trabajo1 (mm)

Interruptores de potencia 15 kV 910

Interruptores de potencia 5 kV 910

Interruptores de potencia de bajatensión

610

Centros de control de motores(CCM) y tableros de baja tensión

455

Cable 455

Otros Se determina en el sitio

1La distancia típica de trabajo es la suma de la distancia entre el trabajadorsituado frente al equipo y la distancia desde el frente del equipo a la fuente

potencial de arco dentro del equipo.Fuente: IEEE Guide fo performing Arc Flash Hazard Calculations, IEEE Std 1584-2002.

4.8. Determinar la energía incidente para cada equipo

La energía incidente es la cantidad de energía por unidad de área recibida sobre una

superficie situada a cierta distancia de la fuente que genera el evento del arco eléctrico. En el

sistema SI la energía incidente es medida en Joules por centímetro cuadrado (J/cm2). Para

convertir las unidades de calorías por centímetro cuadrado (cal/cm2) del sistema CGS a J/cm2 hay

que multiplicar cal/cm2 por 4.184


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184.41)(11 =⇒×= JoulesegWatt Joule calorías

Una caloría es la cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura de un gramo

de agua en un grado Celsius, a la presión atmosférica normal (1 atmósfera). 1 cal/cm2

es

equivalente a la energía a la cual estaría expuesta 1 cm2 del área de la punta del dedo índice si

éste se mantiene en la llama azul de un encendedor ubicado a 1 cm de distancia durante un

segundo [1].

4.8.1. Ecuaciones para calcular la energía incidente

Primero hay que calcular la energía incidente normalizada. Esta ecuación es basada en

datos normalizados para un tiempo de arco de 0.2 segundos y una distancia desde el punto

posible donde ocurre el arco hasta la persona de 610 mm.

lg E n = K 1 + K 2 + 1.081 lg I a + 0.0011 G (4)

Donde:

E n es la energía incidente normalizada para tiempo y distancia

K 1 es -0.792 para configuraciones abiertases -0.555 para configuraciones tipo caja

K 2 es 0 para sistemas no puestos a tierra y sistemas puestos a tierra de alta resistencia

es -0.113 para sistemas puestos a tierra.


G es la distancia entre conductores (mm) (ver Tabla II)

Luego:

E n = 10lgEn (5)

Entonces:

)610

)(2.0

( x

x

n f D

t E C E = (cal/cm2) (6.a)


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ó

)610

)(2.0

(184.4 x

x

n f D

t E C E = (J/cm2) (6.b)

Donde:

E es la energía incidente






D es la distancia desde donde ocurre el arco hasta la persona (mm) (ver tabla III)

x es el exponente de la distancia obtenido de la Tabla IV

Tabla IV – Factor x de distancia

Tensión del sistema(kV)

Tipo de equipoFactor x dedistancia

Aire libre 2.000Interruptores de potencia 1.473

CCM y tableros 1.6410.208 - 1

Cable 2.000Aire libre 2.000

Interruptores de potencia 0.973> 1 -5Cable 2.000

Aire libre 2.000Interruptores de potencia 0.973> 5 -15

Cable 2.000Fuente: IEEE Guide fo performing Arc Flash Hazard Calculations, IEEE Std 1584-2002.


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Para casos en que la tensión del sistema sea mayor a 15 kV o la distancia entre

conductores esté fuera del rango de este modelo, entonces puede usarse la ecuación del método

teórico de Ralph H. Lee:

)(1012.52

5

D

t VI E bf ×= (cal/cm

2) (7.a)

ó

)(10142.22

6

D

t VI E bf ×= (J/cm

2) (7.b)

Donde:

E es la energía incidente



D es la distancia desde el punto posible donde ocurre el arco hasta la persona (mm)

I bf es la corriente sólida de falla (kA)

Para casos en que la tensión del sistema sea mayor a 15 kV la corriente de arco I a es

considerada igual a la corriente sólida de falla I bf

En las ecuaciones para el cálculo de la energía incidente se puede apreciar que ésta

aumentaría a medida que disminuye la distancia de separación al arco eléctrico. Además,

también se aprecia que es directamente proporcional con el tiempo de duración del arco, por lo

tanto, a mayor tiempo de duración del arco habrá mayor peligro ya que el valor de la energía

incidente aumentaría.


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4.8.2. Ecuaciones de cálculo de energía incidente a usar con fusibles limitadores de

corriente

Los fusibles limitadores de corriente, cuando actúan en su rango limitador, reducen lacorriente de falla de corto circuito y despejan la falla en ½ ciclo (8.3 mseg.) o menos. Pruebas de

laboratorio fueron conducidas para determinar el efecto de fusibles limitadores de corriente Clase

L y Clase RK1 en la reducción de la energía incidente de los arcos [7]. Estas pruebas fueron

desarrolladas a 600 V y con calorímetros colocados a una distancia de 455 mm de un arco

trifásico dentro de una caja cúbica de 508 mm x 508 mm x 508 mm, usando fusibles de un sólo

fabricante. Las ecuaciones provienen del ajuste de curvas obtenido de graficar los valores

medidos durante las pruebas de energía incidente en función de la corriente de falla sólida. El

estándar IEEE 1584 menciona que resultados calculados con estas fórmulas para fusibles de la

misma clase, pero de otros fabricantes, deben ser similares.

Las variables son las siguientes:


E es la energía incidente (cal/cm2)

4.8.2.1. Ecuaciones para fusibles Clase L 1601 A – 2000 A

Para I bf < 22.6 kA, calcular corriente de arco y usar curva tiempo corriente para

determinar energía incidente mediante 3.4.1. y 3.8.1.

Para 22.6 kA ≤ I bf ≤ 65.9 kA,

E = –0.1284 I bf + 32.262

Para 65.9 kA 106 kA, contactar al fabricante para información.


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36



determinar energía incidente mediante 3.4.1. y 3.8.1.Para 15.7 kA ≤ I bf ≤ 31.8 kA,

E = –0.1863 I bf + 27.926

Para 31.8 kA


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determinar energía incidente mediante 3.4.1. y 3.8.1.Para 15.7 kA ≤ I bf ≤ 44.1,

E = 0.0601 I bf + 2.8992

Para 44.1 kA 106 kA, contactar al fabricante para información.

4.8.2.5. Ecuaciones para fusibles Clase RK1 401 A – 600 A

Para I bf < 8.5 kA, calcular corriente de arco y usar curva tiempo corriente para determinar

energía incidente mediante 3.4.1. y 3.8.1.

Para 8.5 kA ≤ I bf ≤ 14 kA,

E = –3.0545 I bf + 43.364

Para 14 kA


49/126

38

E = –19.053 I bf + 96.808

Para 5.04 kA


50/126

39

E = 0.25

Para I bf > 106 kA, contactar al fabricante para información.

Obviamente, mediante estas fórmulas simplificadas se facilita el proceso de cálculo de laenergía incidente pero es importante considerar que no toman en cuenta la corriente de

contribución de los motores ya que esta corriente no fluiría por el fusible, por lo que se estaría

calculando una energía incidente menor a la que en realidad debería ser si se tomara en cuenta el

aumento de la corriente de falla debido a la suma de la corriente de la contribución de los

motores. Esta es la razón principal por la que resulta más sensato para el cálculo de la energía

incidente el uso de las ecuaciones en 4.4.1. y 4.8.1., que estas ecuaciones simplificadas.

4.8.3. Ecuaciones de cálculo de energía incidente a usar con interruptores de baja

tensión

Mediante el desarrollo de cálculos usando las ecuaciones presentadas por el estándar

IEEE 1584 (ver 4.4.1., 4.8.1. y 4.9.1.) en conjunto con las características de las curvas tiempo

corriente de un amplio rango de interruptores de baja tensión se han obtenido ecuaciones

simplificadas [8], contenidas en la Tabla V, para calcular la energía incidente y la frontera de

protección contra arcos para sistemas que usen interruptores de baja tensión cuando la corriente

de falla es conocida.


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40

Tabla V – Ecuaciones para calcular energía incidente y frontera de protección según tipo ycapacidad del interruptor

≤ 480 V 575 - 690 V

Capacidad(A)

Tipo deInterruptor

Tipo deunidad

dedisparo

Energíaincidente(cal/cm2)

Frontera deprotección(mm)

Energíaincidente(cal/cm2)

Frontera deprotección(mm)

100 – 400 MCCB TM o M 0.045 I bf + 0.13 9.16 I bf + 194 0.065 I bf + 0.040 11.8 I bf + 196600– 1200 MCCB TM o M 0.053 I bf + 0.38 8.45 I bf + 364 0.080 I bf + 0.090 11.4 I bf + 369600 – 1200 MCCB E, LI 0.090 I bf + 0.324 12.50 I bf + 428 0.112 I bf +11.000 14.3 I bf + 568

1600 – 6000MCCB o

ICCBTM o E,

LI0.107 I bf + 0.72 11.10 I bf +696 0.164 I bf + 0.040 16.7 I bf + 606

800 – 6300 LVPCB E, LI 0.150 I bf + 0.88 14.50 I bf + 786 0.230 I bf + 0.070 19.1 I bf + 864800 – 6300 LVPCB E, LSa 1.090 I bf + 6.51 47.20 I bf +2660 1.640 I bf + 0.519 62.4 I bf + 2930

I bf está en kA, la distancia de trabajo usada es 460 mmaEl tiempo corto de retardo se asume fijo al máximo


Los tipos de interruptores son los siguientes:

− MCCB: Molded case circuit breaker (Interruptor de caja moldeada)

− ICCB: insulated-case cicuit breaker (Interruptor de caja aislada)

− LVPCB: low voltage power circuit breaker (Interruptor de potencia de baja tensión)

Los tipos de unidad de disparo son los siguientes:

− TM: Unidad de disparo Termo-magnética

− M: Unidad de disparo magnética (solo disparo instantáneo)

− E: Unidad de disparo electrónica. Tiene tres características usadas por separado o en

combinación

− L: Retardo largo (Long Time)

− S: Retardo corto (Short Time)

− I: Instantáneo

Estas ecuaciones no requieren de la disponibilidad de la curva tiempo corriente del

interruptor pero deben ser usadas dentro de un rango de corrientes de falla de 700 A - 106000 A y


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41

para tensiones menores o iguales a 480 V o entre 575 V y 690 V. Para condiciones en que la

corriente de falla se encuentre fuera del rango, las ecuaciones en 4.4.1., 4.8.1. y 4.9.1 deben ser

usadas. Si las curvas tiempo corriente están disponibles las ecuaciones en 4.4.1., 4.8.1. y 4.9.1son preferidas. Cada ecuación simplificada es aplicable para el rango I 1


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La corriente de falla correspondiente I bf es determinada resolviendo la ecuación (1) de

cálculo de corriente de arco para configuración tipo caja y distancia entre conductores de 25 mm,

mediante la substitución de I t por la corriente de arco. De esta forma, se obtiene la ecuación quese presenta a continuación. El factor 1.3 ajusta la corriente al tope de la banda de disparo.

lg (1.3 I t )= –0.084 + 0.096 V + 0.586 (lg I bf ) + 0.559 V (lg I bf )

Tomando I bf como I 1 y resolviendo la ecuación para obtener I 1 para 600 V:

lg I 1 = 0.0281 + 1.09 lg (1.3 I t )

Tomando I bf como I 1 y resolviendo la ecuación para obtener I 1 para 480 V:

lg I 1 = 0.0407 + 1.17 lg (1.3 I t )

Luego:

⇒ I 1 = 10lg I 1

Es importante aclarar, que con este método se obtienen resultados estimados que además

no toman en cuenta la corriente de contribución de los motores ya que esta corriente no fluiría por

el interruptor, por lo que se estaría calculando un valor de energía incidente y de frontera de

protección menor al que en realidad debería ser si se tomara en cuenta el aumento de la corriente

de falla debido a la suma de la corriente de la contribución de los motores. Por estos motivos el

uso de las ecuaciones en 4.4.1., 4.8.1. y 4.9.1, es conveniente para la obtención de resultados más

precisos que estas ecuaciones simplificadas.

4.9. Determinar la distancia de protección contra arco para cada equipo

La frontera de protección contra arcos, es la distancia límite de aproximación a las partes

energizadas que no estén aisladas y expuestas a que una persona padezca una quemadura de

segundo grado.


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4.9.1. Ecuaciones para determinar la frontera de protección contra arco eléctrico:

Modelo empírico del Estándar IEEE 1584-2002:

x

B

x

n f B E

t E C D

1

)610)(2.0

(184.4 ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡= ; para E B en J/cm2 (8.a)

x

B

x

n f B E

t E C D

1

)610

)(2.0

( ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡= ; para E B en cal/cm

2 (8.b)

Modelo teórico de R. H. Lee:

)(10142.2 6

B

bf B E

t VI D ×= ; para E B en J/cm

2 (9.a)

)(1012.5 5

B

bf B E

t VI D ×= ; para E B en cal/cm

2 (9.b)

DB es la distancia de la frontera al punto donde ocurre el arco (mm)





E B es la energía incidente en la distancia de la frontera


x es el exponente de la distancia obtenido de la Tabla IV

I bf es la corriente sólida de falla (kA)

E B debe ser ajustado al valor de 1.2 cal/cm2 o de 5 J/cm2, dependiendo del sistema de

unidades empleado, para calcular la distancia de aproximación a las partes energizadas después

de la cual la piel descubierta de una persona pueda padecer una quemadura de segundo grado. El


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estándar IEEE 1584-2002 toma el valor de energía incidente de 1.2 cal/cm2 como el mínimo

umbral de energía para causar una quemadura de segundo grado sobre piel humana basándose en

la investigación realizada por A. M. Stoll y M. A. Chianta “Method and rating system forevaluation of thermal protection”.

4.10. Selección del equipo de protección personal

Una vez obtenida la energía incidente a la que pueden estar expuestas las personas ante un

evento de arco eléctrico en el sitio de análisis de riesgo, entonces es posible seleccionar el equipo

de protección personal de acuerdo a la cantidad de energía incidente a la cual éstos están

especificados.

El equipo de protección personal contra arcos es conformado por el traje resistente al

fuego, visor de protección facial, lentes de seguridad, casco dieléctrico, calzado dieléctrico,

guantes aislados, protectores de cuero para guantes aislados y tapa-oídos.

El casco dieléctrico debe ser usado cuando exista peligro de lesiones en la cabeza por

electrocución o por objetos disparados por explosión eléctrica. Los guantes aislados proveen

protección contra electrocución pero deben ser usados en conjunto con protectores de cuero para

proporcionar completa protección contra quemaduras por arco. El visor de protección facial

provee protección para el rostro contra los riesgos de exposición por arcos y contra objetos

expulsados por explosión eléctrica. Los lentes de seguridad deben ser usados siempre debajo del

visor. Los tapa-oídos proporcionan protección contra los altos niveles de ruido ocasionados por

explosión eléctrica. El calzado dieléctrico suministra protección contra contactos eléctricos que

envuelvan caminos de corriente a través de los pies de los trabajadores. Las botas de cuero son


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recomendadas para ser usadas en asignaciones que involucren riesgos de arco nivel 2 o mayor

ofreciendo protección adicional contra el riesgo térmico de los arcos.

El equipo de protección resistente al fuego se clasifica de acuerdo a categorías de arco. Lacategoría de arco es una clasificación térmica, es el valor atribuido a los materiales que describe

su comportamiento ante la exposición de una descarga de arco eléctrico. También se puede

definir como la máxima energía incidente que un material puede resistir.

El método para la determinación de la habilidad de los materiales para proveer protección

contra los riesgos térmicos del arco eléctrico es definido por el estándar ASTM F1959M-05a

“Standard Test Method for Determining the Arc Termal Performance Value of Materials for

Clothing” (Método de prueba estándar para la determinación de la categoría de arco de materiales

usados en vestimenta) [9]. De acuerdo a este estándar la categoría de arco es expresada en

cal/cm2 y es derivada de la determinación del valor de ATPV o EBT.

El estándar ASTM F1959M-05a define el ATPV (Arc thermal performance value) o valor

de desarrollo térmico del arco, como la energía incidente sobre un material o sobre un sistema de

material de múltiples capas que ocasione un 50% de probabilidad que la transferencia de calor a

través de la muestra del material que está siendo sometida a prueba tienda a causar el inicio de

una quemadura de segundo grado. El ATPV es expresado en cal/cm2 y este valor se reporta como

la categoría térmica de la muestra del material sometido a prueba si no ocurre la ruptura del

mismo, de lo contrario se debe usar el valor del EBT.

Según el estándar ASTM F1959M-05a, el EBT (breakopen threshold energy) o energía del

umbral de ruptura, es la energía incidente sobre un material o sobre un sistema de material de

múltiples capas que resulte en un 50% de probabilidad de ruptura. La muestra de material

sometida a prueba es considerada a manifestar ruptura cuando presente cualquier agujero con un

área de al menos 1.6 cm2 o alcance al menos 2.5 cm en cualquier dimensión. En una muestra de


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múltiples capas de material resistente al fuego, todas las capas deben presentar ruptura para

cumplir con la definición.

La determinación del equipo de protección personal a usar para trabajar en la ubicacióncorrespondiente a la energía incidente calculada está fuera del alcance del estándar IEEE 1584

por lo que un juicio profesional es requerido.

En la Tabla VI se presenta una clasificación de la ropa de protección por niveles de

riesgo. Estos niveles de riesgo, están a su vez directamente relacionados con la categoría térmica

de la ropa correspondiente. Por ejemplo, si la energía incidente en un determinado punto de una

instalación eléctrica, en donde se requiera trabajar mientras los componentes del circuito están

energizados, es de 5.6 cal/cm2, entonces la ropa a usar debería ser de nivel de riesgo 2 y su

categoría de arco, o energía incidente mínima a soportar, debería ser de 8 cal/cm 2. Esta

clasificación está basada en pruebas de laboratorio [10], y ha sido adoptada inclusive por el

estándar NFPA 70E “Standard for Electrical Safety in the Workplace” (Estándar para seguridad

eléctrica en el lugar de trabajo) [11].


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Tabla VI - Características de la ropa de protección

Nivel de

Riesgo

Descripción de la ropa(las cantidades de capas de ropa están

dadas en paréntesis)

Categoría dearco mínima

del EPP(cal/cm2)

Rango deenergía incidente

calculada(cal/cm2)

0Materiales inflamables que no se derritan(algodón, lana, rayón, o seda). Peso de la

tela debe ser al menos 4.5 oz/yd2 (1)2 0-2

1Camisa RF y pantalones RF, o sobretodo

RF (1)4 2-4

2Ropa interior de algodón - franelilla y

shorts cortos - más camisa RF y pantalones RF (1 o 2)

8 4-8

3

Ropa interior de algodón más camisa RF

y pantalones RF más sobretodo RF, oropa interior más 2 sobretodos RF (2 o 3)

25 8-25

4Ropa interior de algodón más camisa RF

y pantalones RF más traje RF demúltiples capas (3 o más)

40 25-40

RF = Resistente al fueg

Estudio de Arco Electrico en La Ford Motors de Venezuela

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