Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos: Riesgo eléctrico (Parte 1ª)

Introducción

Desde que en el siglo XIX, se lograran las primeras experiencias y aplicaciones con la electricidad, se ha llegado a nuestros días a asegurar indiscutiblemente que el tipo de energía más utilizada es la energía eléctrica, resulta muy difícil encontrar una actividad que no esté directa o indirectamente relacionada con la electricidad.

Su gran difusión industrial y doméstica, unida al hecho de que no es perceptible por los sentidos (únicamente se conoce por sus efectos), hacen caer al individuo en una rutina, despreocupación y falta de prevención en su utilización. Por otra parte dada su naturaleza y los efectos muchas veces mortales que ocasiona su paso por el cuerpo humano, hacen que la corriente eléctrica sea una fuente de accidentes de tal magnitud que no deben ser regateados esfuerzos para frenar la proliferación de estos accidentes.

Conceptos generales, Terminología

Cebado

Régimen variable durante el cual se establece el arco o la chispa (UNE 21.302).

Choque eléctrico

Efecto fisiológico debido al paso de la corriente eléctrica por el cuerpo humano.

Circuito

Un circuito es un conjunto de materiales eléctricos (conductores, aparamenta, etc.) de diferentes fases o polaridades, alimentados por la misma fuente de energía y protegidos contra sobreintensidades por el o los mismos dispositivos de protección. No quedan incluidos en esta definición los circuitos que formen parte de los aparatos de utilización o receptores.

Conductores activos

Se consideran como conductores activos en toda instalación los destinados normalmente a la transmisión de la energía eléctrica. Esta consideración se aplica a los conductores de fase y al conductor neutro en corriente alterna y a los conductores polares y al compensador en corriente continua.

Conexión equipotencial

Conexión que une dos partes conductoras de manera que la corriente que pueda pasar por ella no produzca una diferencia de potencial sensible entre ambas.

Contactos directos

Contactos de personas con partes activas de los materiales y equipos.

Contactos indirectos

Contactos de personas con masas puestas accidentalmente bajo tensión.

Corriente de contacto

Corriente que pasa a través del cuerpo humano, cuando está sometido a una tensión.

Corriente de defecto o falta

Corriente que circula debido a un defecto de aislamiento.

Defecto franco

Conexión accidental de impedancia despreciable, entre dos o más puntos con distinto potencial.

Electrodo de tierra

Elemento conductor que sirve para establecer el contacto con la tierra circundante.

Elementos conductores

Todos aquellos que pueden encontrarse en un edificio, aparato, etc. y que son susceptibles de propagar un potencial, tales como: estructuras metálicas o de hormigón armado utilizadas en la construcción de edificios (p.e. armaduras, paneles, carpintería metálica, canalizaciones metálicas de agua, gas, calefacción. etc.). Suelos y paredes conductores.

Fuente de energía

Aparato generador o sistema suministrador de energía eléctrica.

Fuente de alimentación de energía

Lugar o punto donde una línea, una red, una instalación o un aparato recibe energía eléctrica que tienen que transmitir, repartir o utilizar.

Impedancia

Cociente de la tensión en los bornes de un circuito por la corriente que fluye por ellos. Esta definición sólo es aplicable a corrientes sinusoidales. (UNE 21.302).

Instalación eléctrica

Conjunto de aparatos y de circuitos asociados, en previsión de un fin particular: producción, conversión, transformación, transmisión, distribución o utilización de la energía eléctrica.

Intensidad de defecto

Valor que alcanza una corriente de defecto.

Intensidad de falta

Corriente que en caso de defecto a tierra se deriva por la red de tierras.

Instalación de tierra

Es el conjunto formado por electrodos y líneas de tierra de una instalación eléctrica.

Línea de tierra

Conductor que enlaza el elemento puesto a tierra con el electrodo.

Masa

Conjunto de las partes metálicas de un aparato que, en condiciones normales, están aisladas de las partes activas (UNE 21.302).

Las masas comprenden normalmente:

Las partes metálicas accesibles de los materiales y de los equipos eléctricos, separadas de las partes activas solamente por un aislamiento funcional, las cuales son susceptibles de ser puestas bajo tensión a consecuencia de un fallo de las disposiciones tomadas para asegurar su aislamiento. Este fallo puede resultar de un defecto del aislamiento funcional, o de las disposiciones de fijación y de protección.

Por tanto, son masas las partes metálicas accesibles de los materiales eléctricos, excepto los de la clase II, las armaduras metálicas de los cables y las conducciones metálicas de agua, gas, etc.

Los elementos metálicos en conexión eléctrica o en contacto con las superficies exteriores de materiales eléctricos, que estén separadas de las partes activas por aislamientos funcionales, lleven o no estas superficies exteriores algún elemento metálico.

Por tanto son masas: las piezas metálicas que forman parte de las canalizaciones eléctricas, los soportes de aparatos eléctricos con aislamiento funcional, y las piezas colocadas en contacto con la envoltura exterior de estos aparatos.

Por extensión, también puede ser necesario considerar como masa, todo objeto metálico situado en la proximidad de partes activas no aisladas, y que presenta un riesgo apreciable de encontrarse unido eléctricamente con estas partes activas, a consecuencia de un fallo de los medios de fijación (p.e. aflojamiento de una conexión, rotura de un conductor, etc.)

Partes activas

Conductores y piezas conductoras bajo tensión en servicio normal. Incluyen el conductor neutro o compensador y las partes a ellos conectadas. Excepcionalmente, las masas no se considerarán como partes activas cuando estén unidas al neutro con finalidad de protección contra los contactos indirectos.

Poner a tierra

Unir eléctricamente con la tierra una parte del circuito eléctrico o una parte conductora no perteneciente al mismo por medio de la instalación de tierra.

Puesta a tierra de protección

Conexiones a tierra de elementos conductores (masas) de una instalación, normalmente sin tensión pero que pueden estarlo por averías.

Puesta a tierras de servicio

Es la conexión que tiene por objeto unir a tierra temporalmente parte de las instalaciones que están normalmente bajo tensión o permanentemente ciertos puntos de los circuitos eléctricos de servicio.

Estas puestas a tierra pueden ser:

· Directas: cuando no contienen otra resistencia que la propia de paso a tierra.

· Indirectas: cuando se realizan a través de resistencias o impedancias adicionales.

Receptor

Aparato diseñado para transformar la energía eléctrica en otro tipo de energía o en energía eléctrica de distintos parámetros.

Red con neutro a tierra

Red cuyo neutro está unido a tierra ya sea directamente o a través de una impedancia de pequeño valor.

Red con neutro aislado

Red desprovista de conexión intencionada a tierra, excepto a través de equipos de indicación, medida o protección de impedancias muy elevadas.

Red de tierra

Es el conjunto formado por electrodos y líneas de tierra de una instalación, normalmente sin tensión, pero que puede estarlo por averías.

Resistencia de tierra

Relación entre tensión que alcanza con respecto a un punto a potencial cero una instalación de puesta a tierra y la corriente que la recorre.

Sobretensión

Tensión existente entre dos puntos de una instalación eléctrica, superior al valor máximo que puede existir entre ellos en servicio normal.

Tensión a tierra

Tensión entre una instalación de puesta a tierra y un punto a potencial cero, cuando pasa por dicha instalación una corriente de defecto.

Tensión a tierra transferida

Es la tensión de paso o de contacto que puede aparecer en un lugar cualquiera transmitida por un elemento metálico desde una instalación de tierra lejana.

Tensión de contacto

Tensión que puede aparecer durante una falta entre dos puntos susceptibles de ser puenteados por una persona entre la mano y los pies, cuando la mano toca una masa normalmente sin tensión.

Tensión de contacto aplicada

Tensión que se aplica al cuerpo humano durante una falta considerando su resistencia de 1000 Ω y teniendo en cuenta las restantes resistencias del circuito.

Tensión de defecto

Tensión que aparece a causa de un defecto de aislamiento, entre dos masas, entre una masa y un elemento conductor, o entre una masa y tierra.

Tensión de paso

Tensión que durante una falta puede aparecer entre los pies de una persona considerandolos separados 1 metro.

Tensión de paso aplicada

Tensión que recibe el cuerpo humano entre los dos pies separados 1 m. considerando su resistencia de 1000 Ω y teniendo en cuenta las restantes resistencias del circuito.

Tierra

Masa conductora de la tierra o todo conductor unido a ella por una impedancia muy pequeña (UNE 21.302).

Tierras independientes

Cuando, además de no tener electrodos comunes, la tensión que por defecto puede alcanzar una malla con respecto a la otra no supera los 50 V.

Tierras separadas

Son redes de tierra sin electrodos comunes.

¿Por qué es peligrosa la corriente eléctrica?

Las razones de la potencial peligrosidad de la corriente eléctrica son muy diversas:

Es invisible

Un conductor sometido a tensión no puede distinguirse visualmente de un conductor sin tensión.

Produce diversos efectos

Al manifestarse de diferentes maneras (en forma de luz, calor, etc.) puede dar lugar a diferentes accidentes y, a la vez, resultar difícil de identificar.

Gran variabilidad de la resistencia del cuerpo humano

No todo el mundo ofrece la misma resistencia e incluso la resistencia ofrecida por una misma persona depende de varios factores.

Por lo tanto, el riesgo no es siempre el mismo.

Se transforma rápida y fácilmente en otras formas de energía

La facilidad con la que se transforma en otras energías (por ejemplo calorífica) aumenta el número de efectos y lesiones que se pueden derivar de un accidente.

Variabilidad de las condiciones de aislamiento de las instalaciones

Las instalaciones se encuentran expuestas a factores ambientales variables que influyen en el riesgo.

Algunos de estos factores son la humedad, ionización...

Aproximadamente el 15% de los accidentes eléctricos son mortales.

Definición

Directamente asociado con el proceso físico equivalente se puede definir como riesgo de electrocución para las personas a: “La posibilidad de circulación de una corriente eléctrica a través del cuero humano”.

Analizando esta definición podemos considerar los siguientes aspectos:

a) Para que exista posibilidad de circulación de corriente eléctrica es necesario:

· Debe existir un circuito eléctrico formado por elementos conductores

· Que el circuito esté cerrado o pueda cerrarse

· Debe existir una diferencia de potencial mayor que cero en el circuito

b) Para que exista la posibilidad de circulación de corriente por el cuerpo humano, es necesario:

· Que el cuerpo humano, sea conductor, es decir, que no esté aislado. El cuerpo humano por naturaleza es conductor de la electricidad debido a los líquidos que contiene: linfa, sangre, etc.

· Que el cuerpo humano forme parte del circuito eléctrico. Para que se produzca circulación a través del cuerpo es necesario que éste forme parte de un circuito cerrado.

· Que exista entre los puntos de "entrada" y "salida" de la corriente por el cuerpo una diferencia de potencial mayor que cero.

Cuando estos requisitos se cumplan, se podrá afirmar que existe o puede existir riesgo de electrocución. No obstante, esto no es suficiente porque necesitaremos valorar la posibilidad de consecuencias y la gravedad de las mismas. Estos aspectos deberán tener en cuenta las características del cuerpo humano en cuanto a qué órganos afectará el paso de la corriente y cuál es la duración de este paso de corriente, por lo que será necesario valorar o estudiar los posibles circuitos que siga la corriente.

En definitiva el modelo físico que nos servirá de base para la comprensión del llamado riesgo eléctrico se reduce a un circuito eléctrico, en el que el cuerpo humano actúa como un elemento conductor y por tanto con una determinada resistencia óhmica, y cuyo paso de intensidad se ve regulado, en función de la tensión aplicada por la ley de Ohm, que en su forma más simplificada responde a la ecuación:

Intensidad

La intensidad de corriente crece cuando aumenta la tensión y disminuye cuando aumenta la resistencia.

I = Intensidad, medida en Amperios (A).

V = Diferencia de potencial, medida en Voltios (V).

R = Resistencia, medida en Ohms (Ω).

Símil hidráulico de la ley de Ohm

Caso típico de circulación de corriente por el cuerpo humano

Circuito equivalente

La corriente eléctrica que atravesará el cuerpo de la persona será:

Siendo:

U_O: tensión entre la fase T y tierra.

R_O: resistencia de la puesta a tierra del neutro

R_L: resistencia eléctrica de la línea, hasta el punto de contacto.

R_C: resistencia eléctrica de contacto (no es lo mismo tocar la carcasa con una mano que con las dos). Depende de los materiales que recubren la parte del cuerpo que entra en contacto con la corriente (guantes, ropa...).

R_H: resistencia eléctrica del cuerpo humano. Varía según el recorrido de la corriente por la persona (de mano a mano, de mano a pie, etc..).

R_P: resistencia de paso de la persona a tierra (el calzado, las alfombras y banquetas aislantes, etc. influyen en el valor de esta resistencia y, por tanto, en el valor de la corriente que circula por la persona).

R_T: resistencia (del bucle de defecto) del circuito que va desde el punto neutro hasta el punto donde se ha producido el contacto indirecto (circuito en rojo en la figura).

Tipos de contactos eléctricos

Los contactos eléctricos pueden ser:

· Directos

· Indirectos

Contacto eléctrico directo

Los contactos directos son aquellos contactos de personas con partes activas de materiales y equipos. Entendiéndose por partes activas, aquellas que están normalmente bajo tensión.

Contacto directo debido a un fallo de aislamiento en el cable

Otras formas de contactos directos:

Contacto eléctrico indirecto

Los contactos indirectos son aquellos contactos de personas con masas puestas accidentalmente bajo tensión. Se entiende por masas el conjunto de partes metálicas de un aparato o instalación eléctrica que en condiciones normales están aisladas de las partes activas.

Contacto indirecto debido a la puesta en tensión por avería

de la masa (carcasa metálica) del motor

Otras formas de contactos indirectos:

Los contactos indirectos son debidos a:

· Actos involuntarios de los individuos afectados por el paso de la corriente, como por ejemplo: pérdida del equilibrio, soltar las herramientas, caídas, etc.

· Quemaduras de la víctima debidas a un arco eléctrico. La gravedad de las mismas puede abarcar la gama del primer al tercer grado y viene condicionada por los dos factores siguientes:

o La superficie corporal afectada.

o La profundidad de las lesiones.

Métodos de prevención

Los métodos de prevención están destinados a prevenir los contactos eléctricos, siendo su fin el evitar que circulen por las personas corrientes peligrosas, para ello se puede actuar de las siguientes formas:

· Por disminución de la tensión aplicada (Utilización de tensiones de seguridad).

· Por desconexión en caso de defecto (relés diferenciales en b,t.)

· Por aumento de la resistencia presentada por el cuerpo humano (protecciones aislantes).

· Imposibilitando que exista el contacto eléctrico (distancias de seguridad, obstáculos, etc.).

Métodos de prevención

Factores que condicionan el riesgo de electrocución

La intensidad que circula a través del cuerpo humano, no la tensión o diferencia de potencial, es el factor determinante de la gravedad de los accidentes eléctricos.

Otros factores que también influyen son:

· La resistencia eléctrica del cuerpo humano.

· La frecuencia

· El tipo de corriente (continua o alterna).

· El tiempo de contacto.

· El recorrido de la corriente a través del cuerpo.

· El valor de la intensidad (amperios).

Efectos de la corriente eléctrica al pasar por el cuerpo humano

Cuando la electricidad atraviesa el organismo humano, produce una serie de fenómenos que afectan al cuerpo del individuo y cuya gravedad depende de:

· Las condiciones físicas del individuo.

· Las condiciones psíquicas del individuo.

· Del camino recorrido por la corriente eléctrica.

· La naturaleza de la corriente eléctrica que lo atraviesa.

· Del tiempo que tarda en atravesar la corriente el cuerpo del individuo.

A estos condicionantes enumerados se les suele denominar como “Factores Determinantes del Accidente Eléctrico”.

Se exponen a continuación la incidencia de cada uno de estos Factores Determinantes.

Los resultados estadísticos arrojan los siguientes datos:

· La gravedad del accidente es inversamente proporcional al peso de la persona.

· El accidente eléctrico tiene consecuencias más graves para los menores que para las personas adultas.

· Las consecuencias lesivas del accidente adquieren mayor magnitud en las mujeres que en los hombres.

· La gravedad del accidente es tanto menor, cuanto mayor es el grueso de la piel.

· El accidente es tanto más grave cuanto mayor es el grado de humedad de la piel del individuo.

· Las lesiones son tanto más graves cuanto menor sea el estado de salud del individuo.

Como más importantes se señalan:

· El accidente será tanto más grave, cuanto menor sea el estado de atención del individuo frente al riesgo.

· El accidente será tanto más grave, cuanto más bajo sea el estado de ánimo del individuo en el momento del accidente.

No se puede establecer a priori la trayectoria de la corriente eléctrica, aunque generalmente suele ser por el interior del organismo.

Los experimentos llevados a efecto arrojan como datos más significativos los siguientes:

· Los accidentes eléctricos en corriente continua para los mismos valores de las magnitudes eléctricas, presentan mayor gravedad que si es producido por corriente alterna, pues se dan como fenómenos adicionales, la electrolisis de la sangre y de los tejidos.

· A medida que aumenta la frecuencia, las lesiones presentan menor gravedad a igualdad del resto de magnitudes eléctricas.

Para las frecuencias industriales, 50 - 60 Hz. Los fenómenos más o menos lesivos para el organismo humano dependen de los siguientes factores:

· La intensidad de la corriente que circula.

· La resistencia que ofrece el cuerpo humano al paso de la corriente.

Vamos a considerar más detalladamente cada uno de los factores que condicionan el riesgo de electrocución:

Intensidad de corriente que circula por el cuerpo humano. Valor absoluto de intensidad

Existe una relación directa entre el efecto de la corriente eléctrica sobre el cuerpo humano y el valor de la corriente de contacto. Por ello es necesario definir dos conceptos que servirán como referencia:

a) Umbral de percepción

Definido como el valor de la corriente de contacto, que puede soportar un cuerpo humano cuando sujetando con las manos un electrodo en tensión, sufre cosquilleo sin sensación desagradable de daño físico o dolor muscular.

b) Corriente límite

Definida como la intensidad que es capaz de soportar el cuerpo humano cuando estando sujetando un electrodo en tensión con las manos, conserva la posibilidad de soltarse del objeto o parte en tensión, mediante la utilización de los mismos músculos que están siendo estimulados por la corriente.

Un criterio admitido generalmente es el establecer como “Umbral Absoluto de Intensidad”, al mayor valor de ésta que permite a la víctima desprenderse del contacto sin ayuda, y que a la frecuencia industrial de 50 Hz. ha sido establecido en 10 mA.

Es evidente que los valores de la intensidad no son constantes puesto que dependen de cada persona y del tipo de corriente, continua o alterna. Por ello es comprensible que se definan como valores estadísticos de forma que sean válidos para un determinado porcentaje de la población normal.

En las tablas siguientes se relacionan valores obtenidos experimentalmente.

Gravedad de los accidentes en función de la intensidad:

Efectos producidos según el tipo de corriente:

El caudal de la corriente es el factor que causa las lesiones en caso de shock (choque) eléctrico, esto es, la gravedad del shock eléctrico está determinada por la cantidad de caudal eléctrico que fluye a través del cuerpo humano.

Datos experimentales y prácticas de fuentes autorizadas indican que, en general, una corriente alterna de 100 mA (otros autores dan la cifra de 25, 30 y 50 mA) a la frecuencia comercial (50 Hz) puede ser fatal, si pasa por órganos vitales. En forma similar, se supone que un valor de 16 mA es la corriente media a la que cualquier individuo puede aún soltarse de un objeto cogido de la mano.

Una corriente alterna de alta tensión a 50 Hz provoca una contracción muscular violenta, a menudo de tal gravedad que la víctima es repelida del circuito.

Aunque también la baja tensión provoca una contracción muscular, el efecto no es tan violento. No obstante, el hecho de que el bajo voltaje impida muchas veces a la víctima liberarse a sí misma del circuito, hace que la exposición a ella sea también peligrosa.

En lo referente a Alta Tensión, interesa recalcar lo siguiente:

· Los fenómenos fisiológicos producidos por la electricidad son provocados por el paso de la intensidad de la corriente a través del cuerpo y no por la tensión.

· La tensión tiene un papel esencial en la cantidad de calor desprendido por la corriente a su paso por el organismo.