El arco eléctrico

El fenómeno del arco eléctrico

El arco eléctrico es un fenómeno producido tras una descarga que tiene lugar cuando la tensión eléctrica presente entre dos puntos supera el límite de rigidez dieléctrica del gas interpuesto; si existen las condiciones oportunas, se forma un plasma que conduce la corriente eléctrica hasta que interviene la protección aguas arriba.

Los gases, buenos aislantes en condiciones normales, pueden convertirse en conductores de corriente cuando tienen lugar alteraciones en sus propiedades químico-físicas debidas a un aumento de la temperatura o a otros factores externos.

Para entender cómo se origina un arco eléctrico, puede hacerse referencia a lo que sucede cuando se abre o se cierra un circuito. Durante la fase de apertura de un circuito eléctrico, los contactos del dispositivo de maniobra comienzan a separarse ofreciendo a la corriente una sección gradualmente decreciente; de esta forma, la corriente encuentra una resistencia cada vez mayor, con el consecuente aumento de temperatura. Cuando los contactos comienzan a separarse, el campo eléctrico aplicado al circuito supera la rigidez dieléctrica del aire provocando la perforación por medio de una descarga.

La elevada temperatura provoca una ionización del aire circundante que mantiene la circulación de la corriente en forma de arco eléctrico.

Además de la ionización térmica, tiene lugar una emisión de electrones, por parte del cátodo, debido a un efecto termoiónico; los iones, formados en el gas debido a los choques causados por la elevada temperatura, son acelerados por el campo eléctrico, golpean el cátodo y liberan energía en la colisión provocando un recalentamiento localizado que genera una emisión de electrones.

El arco permanece activo hasta que la tensión existente en sus extremos proporciona la energía suficiente para compensar la cantidad de calor disipado y para mantener las condiciones adecuadas de temperatura. Si el arco se alarga y se enfría, dejan de existir las condiciones para su subsistencia y se extingue.

De una forma análoga, el arco también se origina a consecuencia de un cortocircuito entre las fases. Un cortocircuito es una conexión de baja impedancia entre dos conductores que se encuentran a diferente tensión.

El elemento conductor que constituye la conexión de baja impedancia (por ejemplo, una herramienta metálica olvidada sobre las barras en el interior del cuadro, un cableado incorrecto o el cuerpo de un animal en el interior del cuadro), sometido a la diferencia de potencial, es atravesado por una corriente de valor generalmente elevado, dependiendo de las características del circuito.

El paso de la elevada corriente de defecto provoca el sobrecalentamiento de los cables o de las barras del circuito, dando lugar a la fusión de los conductores de menor sección; al fundirse un conductor, se crean unas condiciones similares a las presentes durante la apertura del circuito. Llegado este punto tiene lugar un arco, el cual se mantiene hasta la intervención de las protecciones o hasta que dejan de existir las condiciones que lo hacen estable.

El arco eléctrico se caracteriza por una intensa ionización del medio gaseoso, por reducidas caídas de tensión anódica y catódica (respectivamente, 10 y 40 V), por altas o muy altas densidades de corriente en el centro de la columna (del orden de 102-103 hasta 107 A/cm2), por altísimas temperaturas (varios miles de °C) en el centro de la columna de corriente y por una distancia entre los extremos variable, en baja tensión, de unos cuantos micrones a algunos centímetros.

Efectos del arco eléctrico en el interior de un cuadro

Cerca de los cuadros principales, es decir, de las grandes máquinas eléctricas, como transformadores o generadores, la potencia de cortocircuito es elevada y, consecuentemente, también lo es la energía asociada al arco eléctrico provocado por un defecto.

Sin caer en complejas descripciones matemáticas del fenómeno, lo que sucede en los primeros instantes en los que se forma el arco eléctrico en el interior de un cuadro puede esquematizarse en 4 fases:

1. Fase de compresión: en esta fase, el volumen de aire ocupado por el arco se sobrecalienta a causa del aporte ininterrumpido de energía; debido a la convección y la radiación, el restante volumen de aire contenido en el cuadro se recalienta; al principio, los valores de temperatura y presión difieren de zona a zona.

2. Fase de expansión: desde los primeros instantes de incremento de la presión interna, tiene lugar una apertura por la que comienza a salir el aire sobrecalentado. En esta fase, la presión alcanza su valor máximo y, debido a la liberación del aire caliente, comienza a disminuir.

3. Fase de emisión: en esta fase, a causa del continuo aporte de energía por parte del arco, casi todo el aire es expulsado bajo una ligera y casi constante sobrepresión.

4. Fase térmica: tras la expulsión del aire, la temperatura en el interior del cuadro alcanza casi la del arco y entonces comienza esta última fase, que dura hasta la extinción del arco, en la que todos los metales y los aislantes que entran en contacto sufren erosión, formándose gases, humos y partículas de material fundido.

Si el arco se formase al aire libre, algunas de las fases descritas podrían no presentarse o darse con un efecto menor; en cualquier caso se originará una onda de sobrepresión y un aumento de la temperatura en las zonas próximas al arco.

Para entender el peligro que comporta encontrarse cerca de un arco eléctrico, vale la pena citar ciertos números:

• presión: se estima que una persona ubicada a 60 cm de distancia del arco asociado a un defecto de unos 20 kA se ve sometida a una fuerza de 225 kg; además, la repentina onda de presión puede causar daños irreversibles en el tímpano; • temperatura que puede alcanzar el arco eléctrico: alrededor de los 7000 - 8000 °C;

• ruido: un arco eléctrico puede emitir hasta 160 db, la detonación de un arma de fuego emite 130 db.

Efectos del arco eléctrico en las personas

Por todo lo descrito anteriormente, el arco eléctrico representa una fuente de riesgo para las personas y los bienes materiales. Los riesgos a los que se ve sometida una persona a consecuencia de la emisión de energía causada por un arco eléctrico son:

• quemaduras;
• lesiones debidas a la proyección de materiales;
• daños en el oído;
• inhalación de gases tóxicos.

	- Quemaduras Las elevadas temperaturas de los gases producidos por el arco y la expulsión de partes metálicas incandescentes pueden provocar quemaduras de diversa índole a las personas. La llama puede causar quemaduras de diferentes grados, hasta la carbonización: los cuerpos sólidos candentes, como fragmentos metálicos del cuadro, provocan quemaduras de tercer grado; el vapor sobrecalentado da lugar a quemaduras similares a las producidas por los líquidos calientes; el calor radiante provoca, generalmente, quemaduras menos graves.
	- Lesiones debidas a la expulsión de materiales La emisión de cuerpos proyectados por el arco puede causar lesiones graves en las zonas más sensibles del cuerpo humano, como por ejemplo los ojos. Los materiales proyectados por la explosión debida al arco pueden penetrar en la córnea y dañarla. La magnitud del daño que puede derivar depende de las características y de la energía cinética de estos cuerpos. Además de la región ocular, las mucosas pueden sufrir lesiones a causa de las sustancias gaseosas emanadas por el arco y la emisión de rayos ultravioletas e infrarrojos pueden causar daños ópticos en la córnea y en la retina, dependiendo de las longitudes de onda de las radiaciones.
	- Oído Tal y como se ha señalado anteriormente, el arco eléctrico se manifiesta como una auténtica detonación, cuyo ruido puede provocar daños permanentes en el oído.
	- Inhalación de gases tóxicos Los humos producidos por la combustión de los materiales aislantes y por la vaporización de los materiales pueden ser tóxicos. Los humos propagados se deben a una combustión incompleta y están constituidos por partículas de carbono y por otras sustancias sólidas suspendidas en el aire.

Características del cuadro resistente a los arcos internos

La seguridad del operador y de la instalación en caso de arco en el interior de un cuadro eléctrico de baja tensión puede lograrse a través de tres filosofías proyectivas diferentes: 1.cuadros mecánicamente resistentes al arco interno (protección pasiva)

2.cuadros dotados de dispositivos que limitan los efectos del arco interno (protección activa)

3.cuadros dotados de interruptores limitadores Estas tres soluciones (también combinables entre sí) han alcanzado un notable desarrollo en el ámbito industrial y han sido aplicadas con éxito por los principales fabricantes de cuadros eléctricos de baja tensión.

Al examinar las dos primeras soluciones, una protección para los defectos de arco de tipo activo es intrínsecamente más compleja que una protección pasiva. Esto se debe a la presencia de dispositivos electromecánicos/electrónicos adicionales que limitan los efectos del arco y que pueden estar sujetos por naturaleza a defectos o a intervenciones fallidas.

El cuadro resistente a los arcos internos de ABB

Los cuadros eléctricos de baja tensión de la serie MNS de ABB están diseñados y certificados para garantizar la protección pasiva a prueba de arco interno, alcanzando valores de resistencia al arco de hasta 100 kA durante 0,3 s.

Los cuadros MNS están probados y certificados conforme al documento IEC 61641, satisfaciendo los 7 criterios de verificación de resistencia al arco interno.

Gracias a ciertas características proyectivas de los cuadros MNS, el arco permanece aislado en la celda en la que se ha producido, garantizando así no sólo la seguridad del operador, sino también la del resto del cuadro, permitiendo aplicar las medidas de seguridad pertinentes en la instalación y la rápida eliminación de la celda en la que ha tenido lugar el arco.