Daños
causados por la electricidad estática
La electricidad estática repercute en la
producción industrial disminuyéndola y elevando sus costes.
Sus efectos son más acusados en determinados
procesos de fabricación, y en particular los de la industria electrónica donde
la ESD produce daños inmediatos en los circuitos impresos, en la industria de artes
gráficas, papeleras, textil y farmacéutica. Las cargas electrostáticas atraen
el polvo y la suciedad que se depositan de forma especial durante los procesos de
bobinado y desbobinado, ensucia los rodillos, disminuye la velocidad en los
trabajos de laminación, produce shocks eléctricos en el personal y es
responsable de incendios y explosiones.
Donde
se produce la electricidad estática
Se relacionan seguidamente algunas operaciones
donde puede producirse electricidad estática y, por tanto, requieren
protección:
a) Circulación de líquidos inflamables
(particularmente los hidrocarburos que son malos conductores) hacia o desde
tanques u otros recipientes, a través de tuberías, mangueras, o incluso a través del aire.
Figura 2: Ejemplos de conexión
equipotencial y puesta a tierra
en el trasvase de líquidos
inflamables
b) Circulación de caudales de vapor, aire o gas
por cualquier orificio en una tubería, manguera o tanque (p.e.: pistolas de
pintura o pulverización).
c) El movimiento de cualquier vehículo equipado
con neumáticos, no conductores (que son los habituales) sobre una carretera, o
suelo no conductor.
d) El movimiento de correas como las que mueven
los compresores. También las correas transportadoras de materiales granulados,
sobre todo si se mueven a gran velocidad.
e) En la fabricación de pasta de papel e
impresión. Siempre que se someta al papel o tejido a una impresión o fricción
contra un material sólido, se han logrado medir potenciales de hasta 250.000
voltios. A veces estas cargas originaron incendios aparatosos por la capacidad
combustiva del papel.
f) Procesos de trasiego, mezclado, molido y
manipulación de materiales pulverulentos o granulados. Las partículas se suelen
cargar electrostáticamente por empujes y fricciones entre sí o con las paredes.
Medidas
generales de protección contra la ESD
La generación de electricidad estática es un
hecho que no puede evitarse, lo único que se puede hacer es anular o paliar sus
efectos a base de tomar algunas medidas que los anulen.
Las medidas más utilizadas son las siguientes:
1) Interconexión y puesta a tierra electrostática
de todas las partes conductoras.
2) Incremento de la conductividad eléctrica de
los materiales manipulados.
3) Control de la humedad ambiental.
4) Ionización de la atmósfera próxima al
material.
Interconexión
y puesta a tierra
Si se conectan entre sí, y a tierra, las
superficies sobre las que se han formado electricidad estática de un
determinado conjunto o proceso, se pueden eliminar las cargas estáticas
conforme se van formando. En teoría, una conexión a tierra de resistencia
relativamente alta, será suficiente, ya que los potenciales estáticos son
relativamente altos y las intensidades bastante bajas. Sin embargo, la práctica
indica que en las operaciones industriales se deben usar conductores que tengan
baja resistencia a tierra. Son convenientes los conductores de baja
resistencia, ya que las mismas conexiones a tierra pueden desempeñar una
función de seguridad en caso de defectos eléctricos, descargas de rayos o
corrientes estáticas.
La puesta a tierra, pese a ser necesaria, resulta
que no siempre es una medida suficiente por sí sola, ya que no impide la producción
de las cargas, sino únicamente su acumulación en los conductores; los
eventuales peligros de encendido a raíz de la acumulación de cargas en cuerpos
dieléctricos, al no ser buenos conductores, no quedarán eliminados totalmente
por la puesta a tierra, pues la electricidad circula mal por los cuerpos
dieléctricos.
Para el caso práctico de la electricidad estática
generada sobre las correas de goma o cuero, puede descargarse instalando un
peine o colector de metal conectado a tierra, sostenido de tal forma que se
encuentre muy cerca de la superficie interior de la correa. Existen correas de
goma conductora de electricidad, que contiene un porcentaje suficiente de
carbono para facilitar el grado necesario de conductibilidad. También existen
revestimientos conductores para correas, habiéndose obtenido resultados
satisfactorios para impedir la acumulación de electricidad estática con dichos
revestimientos. Sin embargo, el efecto
no es permanente y, generalmente, son necesarias repetidas aplicaciones. Los
accionadores de engranajes o de cadena se instalan, a veces, en lugar de
correas, en los sitios peligrosos, para evitar los peligros de la electricidad
estática.
También son conocidas por el gran público las
tiras de goma conductora (con exceso de carbono) que se utilizan en los coches
para descargar hacia el pavimento la electricidad generada en la carrocería y
otras partes de los automóviles al rozar con el aire a partir de cierta
velocidad.
Incremento
de la conductividad eléctrica de los materiales, las máquinas o los elementos
manipulados
Este es un
campo de un gran futuro pero que no está todavía lo suficientemente
desarrollado, principalmente debido a que las sustancias antiestáticas que se
adicionan para aumentar la conductividad tienen una duración limitada y hay que
ir añadiendo cierta cantidad de ellas periódicamente. Veamos algunos casos:
Los más conocidos y sencillos por el gran público
son las bayetas o cepillos antiestáticos para la limpieza de los discos que
evitan que el polvo se adhiera electrostáticamente al material de éstos.
Existen en el mercado sustancias antiestáticas en
forma de spray para aplicar sobre suelos, moquetas y piezas de tejidos,
muebles, máquinas, etc.
Cuando no sean recomendables o impliquen peligro
las cargas electrostáticas de las correas, es preciso utilizar correas
antiestáticas o bien tratar las correas con un revestimiento antiestático. Ninguno
de estos remedios es permanente, dado que las correas van perdiendo sus
propiedades antiestáticas. A menudo resultan eficaces las correas buenas
conductoras de la electricidad que se mueven sobre poleas de acero conectadas a
tierra.
Otras materias que, por su índole, son dieléctricas
pueden hacerse conductoras mediante una serie de adiciones. También en los
líquidos no conductores se da la posibilidad de aumentar la conductividad
mediante adición y mezcla de unos aditivos antiestáticos, por ejemplo; es
posible aumentar la conductividad de la gasolina mediante adición de alcohol,
de oleato de magnesio, de ácido acético, etc.
Como medios antiestáticos pueden utilizarse unas
disoluciones a las que vienen adicionadas sales, poliglicoles, jabones
higroscópicos y similares.
Control
de la humedad ambiental
En materiales no buenos conductores, la carga estática
tiene tendencia a permanecer estacionaria en la vecindad del lugar donde se
generó. Afortunadamente, en la mayoría de los materiales las acumulaciones se
pueden evitar si existe sobre la superficie una película conductora que
descargue la energía a la tierra. La película más común es la humedad, que se
vuelve conductora por las impurezas de la superficie. Cuando la humedad es
elevada, ésta se adhiere a la superficie y el problema de la electricidad
estática es notablemente menor que cuando la humedad es baja. Las
pulverizaciones antiestáticas, señaladas en el punto anterior, producen
la misma clase de película, sólo que dura más que el
agua común.
El peligro de la electricidad estática es mayor
cuando la humedad es baja. La humedad relativa exterior es por lo general más
alta durante el verano que durante el invierno. La humedad interior en los
edificios y talleres, con calefacción en el invierno, es por lo común muy baja;
a menos que haya humidificación artificial.
La teoría es que, cuando la humedad es alta, se
formará una ligera película de humedad invisible sobre todas las superficies,
que facilita la conductividad eléctrica, la cual drena las cargas estáticas
cuando se forman. Dicha película de humedad puede ser tan ligera que resulta
imperceptible al tacto, siendo suficiente para impedir las acumulaciones
estáticas.
Una humedad relativa del 50 al 60 por ciento
será, por lo general, suficiente, pero la humedad mínima necesaria para la
seguridad, puede variar dentro de un margen considerable, bajo diferentes
condiciones. (En la Ordenanza de Higiene y Seguridad en el Trabajo, artículo
57, se indica la necesidad de que se mantenga la humedad relativa «sobre el 50
%» en lugares con ambiente inflamable.)
Este sistema de limitación de las acumulaciones
estáticas ha sido utilizado con éxitos diversos. En teoría, si la humedad es
alta, existirá una ligera película de humedad en todas las superficies
proporcionándoles la suficiente conductividad eléctrica como para eliminar las
cargas estáticas a medida que se generen.
Una de las desventajas de la utilización del
control de la humedad ambiental está en
el posible efecto perjudicial que el alto grado de humedad pudiera tener tanto
sobre la máquina en sí, como en el producto que está siendo procesado. Si se
mantiene una humedad relativa superior al 60 % (a 21 °C), es posible que se
pueda eliminar la electricidad estática, pero el alto porcentaje de humedad
resulta frecuentemente perjudicial para ciertos procesos de fabricación.
La humedad deseada se obtiene por medio de
humidificadores de ambiente especiales o inyectores de vapor colocados en
calentadores con ventilador de impulsión. La humedad relativa se mide con un
higrómetro que da el porcentaje en forma directa.
Ionización
de la atmósfera próxima al material
En ciertos casos en los que no es posible disipar
la carga estática de los materiales que lo acumulan por otros medios, se puede
intentar ionizar la atmósfera que los circunda para así, haciendo conductor al
aire, se absorba la energía y la diferencia de carga de la chispa potencial
acumulada entre estos cuerpos. La ionización separa a los electrones orbitales
de los átomos positivamente cargados y a los electrones cargados negativamente.
Como es sabido, en un campo eléctrico el espacio
que hay entre dos cuerpos de potenciales eléctricos distintos los iones
positivos son atraídos hacia el cuerpo que está cargado negativamente y los
iones negativos son atraídos hacia el cuerpo que está cargado más
positivamente. Los iones negativos son, consiguientemente, absorbidos por el
cuerpo positivo y los iones positivos atraen electrones del cuerpo
negativamente cargado.
La ionización puede producirse haciendo pasar
aire a través de campos eléctricos intensos a fin de arrastrar a los electrones
orbitales libres con la ayuda de gradientes de potencial elevados o bien pueden
usarse fuentes radiactivas para expulsar a los electrones fuera de la órbita,
por la ionización creada por partículas alfa.
La ionización se puede lograr también
aprovechando el hecho de que cuando se crea un campo eléctrico entre un objeto
puntiagudo y una superficie relativamente grande, el gradiente de potencial
entre el punto y la superficie no es uniforme. El potencial (en voltios)
desciende (o aumenta de acuerdo con la polaridad) muy rápidamente en la
vecindad del punto y con mucha menos rapidez cerca de la superficie. Este elevado
gradiente de potencial tenderá a ionizar el aire en la vecindad del objeto
puntiagudo. Los iones de la misma polaridad que tiene la punta serán atraídos
hacia la superficie y se producirá una transmisión de energía entre la punta y
la superficie. El pararrayos es un ejemplo de esta clase de dispositivo
ionizante.
Figura 3: Conjunto de ionizadores
ENDSTAT de CC pulsante
En resumen diremos que el aire no es, por lo
general, buen conductor de la electricidad sobre todo cuando está seco, pero
cuando se ioniza tiene la conductividad suficiente para impedir la acumulación
de cargas estáticas. Esta ionización puede producirse por descargas eléctricas
o por sustancias radioactivas, o por la presencia de campos eléctricos.
Las llamas de distintos gases, también pueden
producir ionización y resultan eficaces para eliminar las cargas estáticas en
determinadas situaciones tales como en las máquinas impresoras pero, como es
obvio, no resultan adecuadas para su uso en presencia de vapores o de polvos
inflamables.
En concreto la ionización puede obtenerse con el
empleo de los neutralizadores de cargas estáticas que funcionan suministrando
una abundante provisión de iones positivos o negativos al aire que se encuentra
entre el neutralizador y el material cargado electrostáticamente. Este proceso
se denomina ionización del aire. Existen, entre otros, tres tipos de
neutralizadores estáticos: de alto voltaje, radioactivos y de inducción.
a) El
neutralizador de alto voltaje aplica alto voltaje a las puntas de las
agujas colocadas a lo largo de la llamada «barra neutralizadora», Dichas agujas
son activas a través de un conductor situado en el núcleo de la barra. Se
proporciona a las agujas una corriente alterna de gran voltaje, cuyo potencial
oscila entre 5.000 y 15.000 voltios. El otro borne del transformador que
suministra el alto voltaje se conecta a tierra. Al ser generadores de una alta
energía, generan más de la que disipan, no se pueden usar en ambientes
inflamables pues pueden iniciar la ignición.
Figura 4: Neutralizador de electrones de alta tensión
(Soluciones electrostáticas, S.L.)
b) El
neutralizador radioactivo generalmente utiliza isótopos de radio o polonio
para la ionización del aire. En este caso partículas alfa son emitidas por el
núcleo de radio, polonio u otros isótopos radioactivos que se van desintegrando
en forma paulatina. El alcance de ionización de la emisión de partículas alfa
en el aire es reducido y se limita a una distancia eficaz de unas 3 pulgadas.
Los peligros de radiación para las personas los tienen bien resueltos pero no
son muy útiles ya que, aunque se pueden utilizar en lugares con ambiente inflamable,
pues no producen fuentes de ignición, no se pueden usar para los grandes
volúmenes de productos inflamables que son normalmente manejados en la
industria moderna.
Figura 5: Ionizador de aire mediante
radiaciones ionizantes (Soluciones electrostáticas, S.L.)
e) El
neutralizador por campos eléctricos emplea el principio de la inducción
electrostática en lugar de la ionización previa. Estos neutralizadores obtienen
su capacidad de ionización por la inducción electrostática del campo eléctrico
del material cargado. Cuanto mayor sea la electrificación del material, más
intensa será la ionización del aire.
Figura 6: Ejemplo de neutralizadores
estáticos en la proximidad de rodillo y lámina
Ejemplo de lámina o banda de papel aislante en
movimiento que deja de contactar con unos rodillos de arrastre recubiertos de
goma para facilitar dicho arrastre, los dos quedan cargados y con distinto
signo.
Colocando un eliminador inductivo en la
proximidad de la lámina y otro en la proximidad del rodillo recubierto de goma
(si fuera totalmente metálico se podría conectar a tierra mediante un contacto
tipo escobilla o a través de cojinetes engrasados con aceite mineral algo
conductor y no haría falta un segundo neutralizador inductivo). El
neutralizador inductivo va conectado a tierra, para que las cargas procedentes
del cuerpo cargado fluyan a través de él hacia tierra. Este dispositivo se
construye en forma de barra metálica, equipada de una serie de puntas en forma
de aguja o como un alambre metálico rodeado de una guirnalda metálica que hace
la función de las agujas puntiagudas. No necesita ninguna fuente externa de
energía, pero no funcionan más que a partir de un cierto campo eléctrico. Los
neutralizadores estáticos normalmente se sitúan a unos 10 a 20 mm de la
superficie a descargar, ya que por razones de servicio no será posible una
distancia menor. La efectividad se comprobaría con un medidor de electricidad
estática situado después del neutralizador. Este sistema se considera una
solución para atmósferas explosivas, en que la neutralización de cargas por
esos electrodos puntiagudos, sucede antes de que se alcancen condiciones de
energía mínima de ignición de la atmósfera explosiva. Es conveniente sin
embargo, tener precaución con sustancias de muy baja energía mínima de
ignición, tales como el óxido de etilo no, acetileno, hidrógeno, disulfuro de
carbono y en caso de ciertos explosivos iniciadores (detonadores). Si se aplica
ventilación localizada se incrementa el factor de seguridad.
Cargas
electrostáticas de las personas
Las personas pueden cargarse fácilmente por su
movimiento o roce con el medio exterior o por la influencia de ciertos campos
eléctricos. Los vestidos con una conductividad insuficiente favorecen la carga.
El contacto con objetos susceptibles de carga puede producir la transmisión de
carga electrostática a las personas. Por la influencia de campos eléctricos
pueden producirse cargas electrostáticas sobre las personas que se encuentren
en la proximidad de objetos cargados eléctricamente. En cualquier caso, es
condición necesaria para que se pueda generar una carga que la persona esté
aislada eléctricamente, por ejemplo, que las suelas de sus zapatos sean de
materiales no conductores (goma, plástico) o que esté sobre suelos con
recubrimiento de material no conductor. La carga de las personas puede llegar a
ser tan elevada que el acercamiento a un objeto conductor (por ejemplo a una
pieza metálica de la instalación) puede producir una descarga de chispa, esto
puede ser muy peligroso si cerca existiese una mezcla explosiva (gas-aire o
vapor-aire) u otros materiales explosivos.
Paradójicamente, este mismo fenómeno si se
produce en un ambiente donde no haya mezcla inflamable o carga explosiva, no
tendría más importancia que la molestia, en el momento de saltar la chispa, que
sintiese la persona afectada. Una vez más queda claro la relatividad del
peligro de la electricidad estática, que no sólo depende de la generación de la
chispa sino, sobre todo, de las características del «medio» donde se produzca.
Donde se manejen, por ejemplo: sulfuro de carbono, explosivos, acetona, éter
etílico, etc., habrá mucho más peligro que en la mayoría de los otros procesos
industriales.
Además, la acumulación de cargas estáticas
depende mucho de las características físicas del individuo, sobre todo de cómo
sea su piel y de la sudoración y, más en general, de si su piel está seca o
húmeda. Por otro lado el cuerpo humano es, relativamente, un buen conductor de
la electricidad pero cada día se suele vestir y calzar con materiales que no
sólo son malos conductores sino que además generan bastante electricidad
estática. Esto es evidente al analizar las fibras modernas, los plásticos, los
materiales modernos usados en el calzado, los tejidos industriales, etc. Son
buenos, confortables, resistentes, económicamente asequibles, pero malos para
el control de la electricidad estática. En estas condiciones el cuerpo humano:
un buen conductor, rodeado de aislantes (los vestidos y los zapatos), actúa
como un condensador eléctrico de elevada capacidad que, además, actúa como un
generador de electricidad estática. O sea, la genera y tiende a irla
acumulando. Estas características son fatales para ciertos procesos.
Materiales
y prendas de protección electrostática para las personas
Independientemente de las protecciones señaladas
anteriormente (Interconexión y Puesta a Tierra, Incremento de la Conductividad,
Control de la Humedad Ambiental y Ionización para ciertos procesos con
materiales combustibles o explosivos), es necesario, además de tener las
protecciones indicadas anteriormente, realizar una prevención integral a las
personas que allí trabajen para evitar que sean fuentes de chispas
electrostáticas. Entre los materiales y prendas más comúnmente usados
destacaremos:
·
Calzado conductor y suelos antiestáticos
El uso de zapatos
conductores, combinado con la utilización de suelos también eléctricamente
conductores, en las zonas donde se manejen los materiales peligrosos, son los
medios más comunes para controlar dichos peligros.
Los zapatos
corrientes, con suela de cuero, si hay humedad suficiente, pueden originar una
conductividad elevada. No obstante, no hay que fiarse de esto en el caso de
personas que tengan una piel seca, o cuando se use goma u otros materiales
aislantes conjuntamente con la suela de cuero. A veces se usan remaches
metálicos que atraviesan en su totalidad la suela del zapato para aumentar su
conductividad. Estos remaches deberán ser entonces de me-tal blando, no
férrico, para evitar el peligro de que produzcan chispas. Habría que decir
también que los zapatos conductores resultan eficaces solamente con un suelo de
buena conductividad.
La resistencia
máxima admitida por la ASA (American Standards Association) para los zapatos
conductores es de 450.000 ohmios, Para los suelos conductores 250.000 ohmios.
Los suelos conductores más comunes son: cemento antichispas, oxicloruro de
magnesio, losetas de asfalto conductor y plaquetas de goma conductora.
·
Vestidos
En principio
habría que decir que, por regla general, los vestidos comerciales normales no
suelen aportar grandes peligros en los locales con riesgo de explosión, siempre
que las personas lleven calzado conductor adecuado y la resistencia eléctrica
del suelo no supere los máximos señalados en el párrafo anterior. En ciertos
casos especiales, tales como en aquellas actividades con materiales muy
explosivos o en instalaciones de envasado de éter, es necesario evitar el uso
de prendas como rayón, lana, seda, nylon, fibras acrílicas y poliésteres, etc.
y cambiarlas por otras de algodón que no presentan estos problemas.
·
Guantes
Cuando no se
emplean guantes conductores en las zonas peligrosas pueden producirse peligros
de ignición al poderse cargar un objeto conductor aislado por el guante. (Por
ejemplo una herramienta metálica). Por consiguiente la resistencia eléctrica de
los mismos no deberá ser superior a la señalada para el caso del calzado.
Ejemplo de puesto de trabajo protegido de manipulación de
material electrónico
Un puesto de
trabajo protegido es una zona donde pueden controlarse las cargas estáticas en
materiales conductores, no conductores y en las personas. Está constituido por
los siguientes elementos:
·
Tapete de mesa.
Está descargando
constantemente la electricidad estática acumulada en cualquier objeto conductor
colocado sobre el tapete.
·
Alfombra de suelo
Sirve como
protección contra las personas que, de forma accidental y esporádica, se
acercan al puesto de trabajo. El tiempo de descarga inferior a un segundo,
asegura que su potencial estático sea lo suficientemente bajo como para no
dañar a los componentes electrónicos que se encuentran sobre la mesa, en el
supuesto de que quisiera tocarlos.
También protege
contra el potencial del operario en el supuesto de que éste hubiera olvidado
colocarse la muñequera.
Figura 7: Puesto de trabajo protegido para la manipulación
de componentes electrónicos
·
Muñequera antiestática
Sirve para
integrar al operario dentro del sistema de protección. Permite una descarga
rápida, inferior a 0,1 segundos, e incorpora una resistencia de un megohmio
para seguridad.
·
Cordón de tierra
Completa el sistema
proporcionando la conexión a tierra de todos los elementos (tapete, alfombra).
Todos los
cordones tienen una resistencia de un megohmio por razones de seguridad.
FUENTES
BIBLIOGRÁFICAS:
Electricidad
estática (José L. MAÑAZ LAHOZ)
La electricidad
estática en la industria de productos inflamables y disolventes (José L. MAÑAZ LAHOZ)
La electricidad
estática y sus consecuencias (José L. MIRON)
Electricidad
estática (Rafael VALLS AZORIN)
NTP 225:
Electricidad estática en el trasvase de líquidos inflamables (INSHT)
NTP 567:
Protección frente a cargas electrostáticas (INSHT)
