Introducción
El método recomendado como más seguro para realizar trabajos en equipos eléctricos, específicamente interruptores/disyuntores en tableros, es cortando el suministro de energía al mismo, es decir, desenergizarlos. Sin embargo, la simple tarea de desenergizar un interruptor implica manipularlo, los cual de acuerdo a estándares actuales aplicables, es considerada una tarea con riesgo de Arco Eléctrico. Existen tres organizaciones que han trabajado en conjunto para desarrollar regulaciones y estándares que pretenden proteger de la mejor manera, tanto al personal técnico como a los mismos equipos, contra riesgos eléctricos, incluyendo Arc Flash. Estas tres organizaciones son:
-NFPA (National Fire Protection Association)
-IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
-OSHA (Occupational Safety and Health Administration)
La norma NFPA del año 2009 define el riesgo de Arco Eléctrico (Arc Flash Hazard) como: “una condición peligrosa asociada con la posible liberación de energía causada por un arco eléctrico”, y refiere a las tareas listadas seguidamente en la tabla 130.7 (C)(9) como ejemplos.
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Tarea |
Clasificación de riesgo Norma NFPA 70E 2004 |
Clasificación de riesgo Norma NFPA 70E 2009 |
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Inserción o extracción (racking) de interruptores/disyuntores de sus cubículos, puertas abiertas (Clase de Voltaje 600 VAC) |
3 |
4 |
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Inserción o extracción (racking) de interruptores/disyuntores de sus cubículos, puertas cerradas (Clase de Voltaje 600 VAC) |
2 |
4 |
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Inserción o extracción (racking) de interruptores/disyuntores de sus cubículos, puertas abiertas (Tableros Metalclad 1kV – 38 kV) |
4 |
4 |
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Inserción o extracción (racking) de interruptores/disyuntores de sus cubículos, puertas cerradas (Tableros Metalclad 1kV – 38 kV) |
2 |
4 |
Tabla 130.7 (C)(9) de NFPA para clasificación de tareas (1=menor riesgo; 4=mayor riesgo)
En el año 2009 la NFPA realizó una revisión de su norma 70E, y uno de los cambios más relevantes fue el asignar un nivel de riesgo más elevado a las tareas asociadas con la maniobra de interruptores/disyuntores.
El presente trabajo analiza dos técnicas específicas para mitigar tanto el nivel de energía liberado como los efectos de un arco eléctrico, a fin de evitar o minimizar posibles lesiones a los trabajadores. Si los procedimientos de trabajo de una tarea en particular requieren que un interruptor/disyuntor sea operado aún estando energizado, éstas técnicas y procedimientos limitarán la exposición al Arc Flash y sus daños asociados.
Protección contra Arcos Eléctricos
Los riesgos de operar un sistema eléctrico han sido estudiados por muchos años, pero es importante destacar que muchas de las lesiones que sufren los trabajadores de ésta área no son producidas por el contacto directo con partes energizadas (electrocución). Cuando se produce un cortocircuito se libera una cantidad bastante alta de energía, compuesta de una onda de choque expansiva, calor, gases tóxicos y metales fundidos, entre otros. Esta gran explosión, que combina diferentes formas de energía, representa una fuente de riesgo bastante elevado para los operadores. Los gases y vapores que se generan en una explosión de este tipo contienen substancias tóxicas, aparte de producir quemaduras internas en las vías respiratorias al ser inhalados. Igualmente se producen lesiones en el sistema auditivo y otros daños a órganos internos debido a la onda de choque expansiva. La experiencia ha demostrado que mientras más cerca se encuentre el trabajador de ésta explosión, más severas serán las lesiones que sufra. La Figura #1 muestra las fronteras de aproximación para un objeto energizado definidas por la norma NFPA 70E. Como se puede observar, el nivel de riesgo y la distancia guardan una relación directa.
Figura #1. Fronteras de aproximación NFPA 70E
La frontera más externa es la de Protección contra Flash, lo cual indica que existe riesgo de lesiones aun estando alejados del equipo energizado, como consecuencia de la onda expansiva y la materia expelida en una explosión que puede producir un corto circuito. La experiencia nos indica que, en algunos casos, esta distancia puede llegar a ser de decenas de metros o más, especialmente en plantas de generación.
Para poder determinar con precisión los riesgos de Arc Flash en cada equipo eléctrico de una planta o industria, en primer lugar se debe realizar un estudio de corto circuito, luego realizar la coordinación de las protecciones (relevadores, fusibles, etc.) y finalmente un estudio de Arc Flash. El método más comúnmente utilizado para proteger trabajadores contra los riesgos de un arco eléctrico es el uso de equipos de protección personal (EPP). Para esto se determina el nivel de riesgo, realizando un estudio de corto circuito de las instalaciones, a fin de determinar el nivel de energía que se liberaría en cada punto del sistema si ocurriese un corto circuito, que a su vez produciría un Arc Flash.
Con esta información se determina el grado de protección que deben tener los equipos de protección personal necesarios.
Seguidamente se muestra la tabla #2 que describe las categorías de EPP de acuerdo a NFPA 70E.
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Categoría |
Cal/cm2 |
Característica |
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0 |
1.2 |
Una capa de material que no se funda al fuego o de ropa no inflamable. El material es de algodón sin tratar, rayón o lana que pesa al menos 4,5 onzas por libra (281 g/kg). |
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1 |
5 |
Una capa de camisa y pantalones resistentes al fuego o un par de overoles que cubran cualquier otra prenda. |
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2 |
8 |
Una o dos capas de camisetas y pantalones resistentes al fuego. Ropa interior, calzoncillos y camisa de algodón. |
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3 |
25 |
Requiere que el empleado use un mínimo de dos capas de EPP o tres capas, dependiendo del tipo de EPP. Por ejemplo, el empleado debe usar ropa interior de algodón, incluso calzoncillos y camiseta, una camisa y pantalones resistentes al fuego, así como un par de overoles resistentes al fuego, cumpliendo así las tres capas de ropa. Se puede intercambiar la camiseta y los pantalones resistentes al fuego por un par adicional de monos. |
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4 |
40 |
Mínimo de tres capas de ropa o más. El EPP debe incluir, como mínimo ropa interior de algodón y camisa, camisa y pantalones resistentes al fuego y un traje refulgente multicapa. |
Tabla #1. Categorías de Equipos de Protección personal descritas por NFPA 70E
Las fotografías #1 y #2 muestran ejemplos de EPP.
Fotografía #1 Fotografía #2
Es una práctica bastante común el recurrir a ésta tabla luego de realizar el estudio de corto circuito y Arc Flash, conociendo los niveles de energía incidente (cal/cm2), para seleccionar los EPP de los niveles adecuados. Como se puede apreciar, los equipos de protección personal (guantes, máscaras, camisas, pantalones, etc.) son fabricados de acuerdo a diferentes niveles de protección y están diseñados para proteger a los trabajadores de sufrir una quemadura de segundo grado contra una exposición de energía del nivel de protección que tenga la prenda especifica que se esté utilizando. Al confiar únicamente en este método se corren algunos riesgos potenciales, entre los cuales se encuentran:
a.- La exactitud y veracidad de la data de los estudios de corto circuito, ya que la experiencia demuestra que las plantas realizan modificaciones en sus sistemas con mucha frecuencia (ampliaciones, retiro de equipos, etc.), lo cual altera los resultados obtenidos. Al realizar cualquier cambio en un sistema eléctrico se deben actualizar tanto los planos como los estudios de cortocircuito.
b.- Los niveles de Energía Incidente de Arc Flash, obtenidos del estudio de cortocircuito, pueden estar por arriba de los valores de protección de diseño de los EPP. Igualmente se debe considerar que los EPP tienen una vida útil y deben ser reemplazados cada cierto tiempo.
c.- Los estudios y análisis de cortocircuito y coordinación de protecciones son teóricos, es decir, asumen que los equipos de protección que componen a un sistema eléctrico (interruptores, fusibles, relevadores, etc.) operan de forma perfecta y exactamente de acuerdo a su diseño, despejando cualquier falla en los tiempos que indican los esquemas de protección. Ha sido ampliamente comprobado que cualquier retraso en el tiempo de despeje de una falla, afecta directamente el nivel de energía incidente liberada en un arco eléctrico, lo cual invalida los resultados de cualquier análisis o estudio teórico de corto circuito. Igualmente el mantenimiento inadecuado o insuficiente incrementa los riesgos.
Desafortunadamente la experiencia ha demostrado que los EPP no garantizan una protección total e infalible. Muchos trabajadores han sufrido lesiones aun utilizando EPP, el problema es que éstos EPP han sido seleccionados siguiendo un método teórico, asumiendo ciertas variables y cierto comportamiento de los equipos eléctricos. Una variación de cualquiera de los parámetros involucrados en el cálculo o bien cualquier desviación o falla en el comportamiento de algún componente del sistema eléctrico y los cálculos se vuelven inválidos, resultando en un trabajador desprotegido. El Standard NFPA 70E establece un grupo de fórmulas para realizar todos los cálculos relacionados con un estudio Arc Flash. Con simplemente realizar algunos ejemplos en el papel y variar los valores de alguno de los parámetros (corriente de falla o tiempo de despeje) se aprecia la rapidez con la que se afectan los resultados finales de la Energía Incidente.
Métodología
A continuación se presentan dos técnicas básicas para mitigar los efectos de la energía incidente liberada en un arco eléctrico:
1.- Reducir tanto el tiempo de duración como la magnitud de la corriente de falla (I2t).
Reducir la magnitud de la corriente de falla pareciera ser una solución simple, sin embargo sabemos que al reducir la corriente los tiempos de despeje de los relevadores e interruptores aumenta, lo cual puede resultar contraproducente en incrementar el nivel de energía (I2t). Por otra parte, reducir el tiempo de despeje, como por ejemplo implementar la función de disparo instantáneo en relevadores o unidades de disparo, puede resultar efectivo para algunas aplicaciones pero es difícil de implementar y costoso, ya que complica la coordinación de las protecciones del Sistema eléctrico, aparte de que esta opción confía plenamente en que los dispositivos (interruptores, relevadores, fusibles, etc.) operan perfectamente de acuerdo a sus características de diseño, lo cual ya hemos explicado que representa un alto riesgo. En el mercado existen dispositivos electrónicos que pueden integrarse a un panel de distribución, los cuales permiten implementar protección por disparo instantáneo a un interruptor/disyuntor sólo cuando personal se encuentre trabajando en el mismo con simplemente pulsar un botón, lo cual reduciría el tiempo de la falla en ese momento.
2.- Aumentar la distancia entre la falla (Arc Flash) y el trabajador, alejándolo así de la zona de riesgo.
Definitivamente el método más seguro para ofrecer protección a los trabajadores es desenergizar los equipos en los que trabajan, pero muchas veces los procesos industriales no permiten interrupciones de la energía eléctrica, como por ejemplo las industrias petrolera y minera. La opción de incrementar la distancia entre el trabajador y el equipo es la solución más efectiva y confiable cuando no es posible desenergizarlo.
El método más simple para determinar el equipo de protección personal es usar las tablas del NFPA 70-E. Estas tablas dan respuestas inmediatas y no requieren levantamiento en campo. Se debe notar que estas tablas se aplican para corrientes de falla y tiempos de liberación de falla muy específicos y estas tablas no cubren todas las aplicaciones o instalaciones de equipo eléctrico. Aunque estas tablas intentan ser conservadoras para la mayoría de las aplicaciones, no pueden ayudar al usuario a seleccionar la protección adecuada, ya que se puede llegar a sobredimensionar el equipo.
A continuación se presentan las fórmulas establecidas por NFPA 70E para el cálculo de la energía incidente para cada punto de falla:
Arco abierto al aire libre – 0.6 kV o menor, 16 – 50 kA corriente de CC :
Ei=5271*D-1.9593*t*[0.0016*Ibf2 – 0.0076*Ibf + 0.8938]
Arco en caja - 0.6 kV o menor, 16 – 50 kA corriente de CC.
Ei=1038.7*D-1.4738*t*[0.0093*Ibf2 – 0.3453*Ibf + 5.9675]
Arco abierto al aire libre – Superior a 0.6 kV:
Ei=793D-2*V*Ibf*t
Donde:
Ei = Energía incidente (cal/cm2)
Ibf = Corriente de falla de corto circuito solido (kA)
T = Duración del arco (segundos)
D = Distancia a la fuente de arco (pulgadas)
Resultados
A continuación se presenta un análisis utilizando las formulas establecidas por NFPA 70E para calcular la Energía Incidente (Ei) de un arco eléctrico.
Asuma que un trabajador va a retirar de su celda un interruptor de 600 VAC. Utilizando los siguientes valores calculamos el valor de la Energía Incidente (Ei):
Ibf = 36 kA
T = 0,5 segundos
D = 24 pulgadas
Los valores de Energía Incidente (Ei) obtenidos son:
14,028 cal/cm2 para el caso de que se produzca un arco al aire libre
26,8335 cal/cm2 para el caso de que se produzca un arco en caja o cubículo.
Si utilizamos estos valores y vamos a la tabla #1 (Categorías de Equipos de Protección personal descritas por NFPA 70E) para seleccionar el EPP adecuado, recomendamos a nuestros trabajadores utilizar un traje con un grado de protección de 40 cal/cm2. Todo indica que nuestros trabajadores estarán protegidos.
Ahora vamos a demostrar lo que sucede cuando alguno de los dispositivos de protección de nuestro sistema (interruptor/disyuntor, relevador, etc.) opera de forma defectuosa, es decir, no despeja la falla en el tiempo que indica el ajuste de coordinación, incrementando el tiempo de despeje de la falla.
Ibf = 36 kA
T = 2 segundos
D = 24 pulgadas
Aplicando las mismas fórmulas, los nuevos valores de Energía Incidente (Ei) obtenidos son:
56,110 cal/cm2 para el caso de que se produzca un arco al aire libre
107,3341 cal/cm2 para el caso de que se produzca un arco en caja o cubículo.
Los resultados demuestran que en este caso el traje EPP que elegimos de 40 cal/cm2 no ofrece protección a nuestros trabajadores, lo cual resulta en lesiones. Sin embargo el trabajador utiliza confiado el equipo que ha sido recomendado como resultado de los estudios teóricos realizados. Lamentablemente la experiencia demuestra que este es un caso bastante común.
Igualmente este análisis demuestra que la seguridad que ofrece el mantener una distancia apropiada es independiente del funcionamiento adecuado o no de los dispositivos de protección, es decir, cuando el trabajador tiene la posibilidad de operar un interruptor/disyuntor manteniendo una distancia adecuada, se elimina la posibilidad de lesiones aun cuando los dispositivos de protección fallen y despejen la falla en tiempos más largos.
A continuación se describen tres casos de estudio documentados que demuestran los efectos de tomar o no acciones oportunas e implementar herramientas y procedimientos de trabajo.
Caso de Estudio #1
El 5 de Enero de 1993 en la empresa eléctrica Gulf States Electric Utilities, ubicada en la ciudad de Beaumont, Texas, USA, un grupo de electricistas de la empresa trabajaban de manera conjunta con una empresa contratista en una subestación de medio voltaje (5kV) y forzaron un interruptor marca Federal Pacific para retirarlo de su celda, ya que había quedado bloqueado en la estructura. El interruptor se encontraba en posición “cerrado” y al forzar la desconexión se produjo un Arc Flash que causo la muerte de dos trabajadores y produjo severas lesiones a otros tres. Es importante destacar que todos los afectados estaban utilizando equipos de protección personal, pero debido al alto nivel de energía liberada en este evento, no existen equipos de protección personal en el mercado que les hubiesen ofrecido protección real y efectiva. Incrementar la distancia de trabajo entre los operadores y el equipo, utilizando dispositivos remotos disponibles en el mercado, hubiese ofrecido un nivel de protección real y hubiese evitado las lesiones de los afectados.
Caso de Estudio #2
El 4 de Marzo de 2009 en las instalaciones del proyecto Jubail en Riyadh, Arabia Saudita, tres trabajadores se encontraban removiendo un interruptor de caja moldeada de 480 VAC de un centro de control de motores (CCM), el cual se encontraba energizado. Se produjo un corto circuito que causo un Arc Flash, lesionando severamente a los tres trabajadores con quemaduras de segundo y tercer grado, requiriendo de hospitalización y tratamientos prolongados. Este centro de control de motores ha debido ser desenergizado para realizar esta tarea, se presume que no fue posible. Este accidente se hubiese evitado al utilizar un dispositivo de inserción/extracción remoto disponible en el mercado, con lo cual los trabajadores hubiesen estado a una distancia apropiada, fuera de la zona o frontera de peligro.
Caso de Estudio #3
El 3 de Mayo de 2009, en una planta de generación ubicada en el medio oeste de los EUA ocurrio un severo corto circuito que causo un Arc Flash de alta magnitud. El incidente se produjo porque trabajadores intentaron insertar un interruptor marca Siemens defectuoso, indicando que se encontraba en posición “abierto” cuando en realidad un polo se encontraba en posición “cerrado”. Cuando el interruptor hizo contacto con la barra energizada se produjo un corto circuito que produjo un severo Arc Flash. Los trabajadores que estaban realizando esta tarea se encontraban fuera de la sala de la subestación donde se produjo la falla, ya que estaban utilizando un dispositivo de inserción remoto inalámbrico. Este evento no produjo ninguna lesión a ninguno de los trabajadores. La Gerencia de la planta está convencida de que el uso de este dispositivo evito que sus trabajadores hubiesen resultado lesionados.
Conclusiones
Las estadísticas indican que anualmente hay aproximadamente 2.000 víctimas de arco eléctrico, requiriendo atención especializada en centros médicos, a un costo bastante elevado. La meta de organizaciones como NFPA 70E, CSA Z462, OSHA y NESC es reducir la ocurrencia de estas lesiones, implementando normas y regulaciones que protejan a los trabajadores contra riesgos eléctricos en sus áreas de trabajo. Hemos visto que existen diferentes métodos para lograr reducir estos riesgos, pero aumentar la distancia entre el trabajador y el equipo que opera, resulta ser la más fácil de implementar, la más segura y en muchos casos la más costo-eficiente para mitigar las lesiones por accidentes Arc Flash.
Existen dos variables o parámetros que afectan de manera importante el nivel de energía incidente liberada en un arco eléctrico. El primero es el tiempo de duración de la falla y el segundo es la magnitud de la corriente. Quisiera permitirme hacer una analogía para explicar la relación entre estos dos parámetros. Imaginen un movimiento telúrico o sismo, en el cual se manejan como parámetros la magnitud en la escala de Richter y la duración. Un sismo de 4 grados en la escala de Richter con una duración de medio segundo causará daños diferentes a los de un sismo de, por ejemplo, 2.5 grados pero con una duración de 9 segundos. El daño y la energía liberada dependen de la combinación de estos dos parámetros. Algo similar ocurre con los cortos circuitos, donde la energía liberada es directamente proporcional al cuadrado de la magnitud de la corriente y al tiempo de duración de la falla, lo cual se explica perfectamente con la fórmula I2t. Siguiendo con ésta misma analogía, queda muy claro que cuanto más alejada se encuentre una ciudad o estructura del epicentro de un sismo menores son los daños que sufrirá, de hecho a distancias muy alejadas ni siquiera llega a sentirse la vibración. De igual manera en un corto circuito, cuanto más alejado se encuentre el trabajador de la fuente de energía incidente, que sería el equivalente al epicentro en el caso del sismo, menor será el daño o posibilidades de lesiones que pueda sufrir.
Basados en esta premisa de aumentar la distancia entre los trabajadores y los equipos que operan, muchas compañías han dedicado recursos y aplicado Ingeniería a fin de desarrollar soluciones que permitan operar los equipos de manera remota. De igual manera, muchos fabricantes ofrecen hoy en día paneles y tableros de distribución que han sido diseñados y fabricados como “Resistentes al Arco”, lamentablemente son soluciones bastante costosas y con toda la información que se ha difundido sobre este tema para educar a los trabajadores, muchos de ellos prefieren no manipular directamente equipos de alto riesgo como son los interruptores/disyuntores en bajo y medio voltaje. Adicionalmente, debemos recordar que la inmensa mayoría de las instalaciones que existen hoy en día a nivel mundial tienen años en servicio y no son “resistentes al arco”, por lo tanto hay que buscar una solución a fin de mitigar el riesgo de lesiones a los trabajadores.
Muchas empresas y distintos profesionales han dedicado recursos y esfuerzo en la investigación y desarrollo de nuevos materiales protectores, equipos y dispositivos. Es muy importante e indispensable que los profesionales de los diferentes sectores industriales se mantengan actualizados en relación a estos avances y revisar de manera continua sus procedimientos de trabajo, a fin de incorporarlos en sus áreas de trabajo para salvaguardar la vida de los trabajadores a su cargo. La información presentada en este documento demuestra que aumentar la distancia no es una especulación académica, es una solución efectiva que salva vidas.
Referencias Bibliográficas
- 1. NFPA 70E, Standard for Electrical Safety in the Workplace, 2012 edition.
- 2. Cadick, John; Neitzel, Dennis; CapelliSchellpfeffer, Mary. Electrical Safety Handbook, 2006, tercera edición.
- 3. Cadick, John. White Paper: NFPA70E, Arc Flash and Safe and Efficient Thermography Practices, 2008, Sofradir.
- 4. White, James. Electrical Safety: A Practical Guide to OSHA and NFPA 70E, 2012, ATP.
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