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lunes, 15 de julio de 2019

Seguridad en las instalaciones frente al arco eléctrico parasitario




La aparición de un arco de defecto entre las barras de un cuadro es un accidente cuya probabilidad es extremadamente pequeña si la instalación está bien diseñada, construida y mantenida.

Los datos estadísticos recogidos durante largo tiempo y en un gran número de instalaciones en servicio muestran que esta probabilidad, desgraciadamente, no es nula.

Teniendo en cuenta las graves consecuencias que se derivan de una descarga en un cuadro (parada de la producción de una fábrica, coste de la puesta en servicio, accidentes de personas) resulta claro que tanto el diseñador como el instalador y el usuario deben de poner todo su empeño en conseguir que la probabilidad de aparición del arco sea muy pequeña y que, si llega a producirse, sus consecuencias sean mínimas.

La disposición de los elementos de la instalación debe poder hacer frente a los riesgos del arco eléctrico parasitario, tales como:

Riesgos A:

Se deben al conjunto de la instalación: calidad de los aislantes, distancias mínimas de aislamiento, apriete adecuado de las conexiones, rigidez de las barras entre los soportes, dimensionado de las barras para soportar eventuales sobreintensidades (calentamientos, resonancia), accesibilidad de animales a las partes con tensión.

Riesgos B:

Se deben a accidentes más o menos previsibles: entrada intempestiva de agua o de vapor de agua en un cuadro, choque de vehículos o cargas debidos a falsas maniobras, vibraciones excesivas producidas por la proximidad de ciertas máquinas.

Riesgos C:

Se deben a la intervención de personas.


Figura 1: Arco eléctrico provocado en la manipulación de un cuadro en tensión

Los riesgos A pueden eliminarse con una construcción esmerada y con una verificación exhaustiva al acabar el montaje en el taller del montador, previo a la conexión en el lugar de utilización. Hay que destacar aquí la importancia que tiene el diseño del material en sí mismo; los conocimientos técnicos y la experiencia del personal de la ingeniería del estudio del que depende directamente la seguridad de la explotación de las instalaciones.

Los riesgos B, si bien no pueden eliminarse totalmente, siempre se pueden minimizar escogiendo con cuidado los lugares de implantación de las diferentes partes de la instalación.

Hay que considerar especialmente el caso particular de los cuadros instalados en los navíos: se ha podido constatar la producción de arcos de defecto debidos a la entrada del agua de mar por las conducciones de ventilación o debidos a condensaciones abundantes resultantes de fugas importantes de vapor.

Estos accidentes pueden evitarse con un estudio previo completo de estos riesgos externos y de los medios apropiados para eliminarlos.

Los riesgos C están directamente relacionados con la actuación y el respeto a las normas de explotación y de intervención del personal. Debe de garantizarse la competencia del personal autorizado para intervenir: de la seriedad que este personal tenga en su trabajo depende directamente la seguridad del conjunto de la instalación o de una industria y hasta su propia seguridad.



Figura 2: Maniobras en cabinas de MT


Siempre es posible diseñar y realizar los cuadros, donde los juegos de barras y sus derivaciones estén al amparo de toda intervención torpe del personal.

Un primer método consiste en situar todas las barras bajo tensión dentro de jaulas metálicas, permitiendo así al personal poder trabajar con seguridad sobre los circuitos próximos de control.

El método más seguro, pero también el más costoso (muy practicado en USA), consiste en cubrir completamente todas las barras, conexiones y piezas de conexión con barniz clase F y encintar, después del montaje, todas las demás piezas con tensión.

Diseños especiales para limitar las consecuencias del arco

A pesar de todas las disposiciones tomadas anteriormente, todavía puede presentarse un arco de defecto en la instalación, aunque sea muy poco probable; se trata entonces de reducir los daños que pueda ocasionar, a fin de poder restablecer muy rápidamente y con el menor gasto la distribución de la energía.

Se pueden tomar diferentes medidas, sea mejorando los detalles constructivos del cuadro, sea en el diseño del esquema o de las protecciones adoptadas.

1º.- Reducir la intensidad de defecto

Los efectos térmicos son proporcionales a la intensidad de cortocircuito, Icc, que normalmente podrán reducirse mucho en BT utilizando interruptores automáticos limitadores.

Es pues recomendable utilizar estos interruptores automáticos en las entradas a los cuadros, cuando sus características (calibre, selectividad parcial) son compatibles con la instalación.

Pero en las redes de BT, donde la elevada potencia la suministran normalmente varios transformadores o generadores en paralelo, el valor de la corriente de cortocircuito sobre el juego de barras puede llegar o sobrepasar los 100 kA eficaces. De lo que se deduce un riesgo de destrucción muy importante, en caso de defecto en los cuadros.

Este riesgo se reduce sensiblemente al adoptar esquemas de distribución semejantes a los de las redes de abordo de los navíos, donde se alcanza un alto grado de seguridad.

Los generadores se reparten sobre dos «semi-juegos» de barras, conectadas permanentemente, según las necesidades de explotación mediante un interruptor automático de acoplamiento (figura 3).



Figura 3

Este aparato de un calibre elevado, de 3 a 6 kA normalmente, debe de ser muy limitador, lo que lleva necesariamente a un principio de diseño muy diferente del de los limitadores clásicos. En efecto, el poder de limitación de los limitadores clásicos disminuye a medida que el calibre aumenta; aunque en realidad no hay aparatos de este tipo de un calibre superior a 2000 A.

Schneider Electric ha desarrollado para resolver este problema un interruptor automático limitador ultra-rápido DURT cuyo tiempo de apertura es inferior a 1 ms.

La corriente de cortocircuito sobre el juego de barras se encuentra reducido a la mitad de su valor contando que todas las fuentes trabajan en paralelo. Por tanto, se reduce el riesgo en caso de un accidente grave en el cuadro.

Por otra parte, esta disminución importante de la corriente de cortocircuito reduce en la misma proporción el poder de corte de todos los interruptores automáticos aguas abajo; el ahorro así conseguido con estos aparatos compensa el coste adicional de un interruptor automático limitador de acoplamiento.

2º.- Reducción del tiempo de defecto

Los efectos térmicos son también proporcionales a la duración de t, que se querrá reducir lo más rápidamente posible provocando la eliminación del defecto. Pero los aparatos encargados de esta misión, son los interruptores automáticos de la fuente, que los imperativos de selectividad obligan a menudo a temporizar. Hará falta siempre por lo menos tener cuidado en ajustar su temporización al menor valor posible, sin eliminar en estos tiempos los márgenes de seguridad aparente, lo que sería lamentable en caso de cortocircuito en las barras. Se ha demostrado que un defecto de 20 000 A, relativamente pequeño en BT, se propaga a 300 m/s, casi a la velocidad del sonido; por tanto, el arco tiene tiempo de recorrer 45 m durante los 150 milisegundos de temporización.

Para solucionar esta situación, Schneider Electric ha desarrollado un sistema de selectividad lógica que permite mantener una selectividad absoluta sin tener que incrementar la temporización de los interruptores automáticos, a medida que se instalan aguas arriba, principio que utiliza la selectividad cronométrica.

3º.- Pantallas consumibles y trampas para arcos

Es posible diseñar una disposición de un juego de barras tal que después de un cierto recorrido del arco, éste quede bloqueado en un extremo sin poder seguir propagándose: se coloca ante el arco una pantalla «fungible» cuyo espesor dependerá de la energía que probablemente tendrá que absorber.

Estas pantallas pueden ser o metálicas, con lo que el arco se consumirá fundiéndolas, o de un aislante mineral, suficientemente resistente al calor (ver anexo).

Un aislante orgánico podría provocar, al quemarse, gases tóxicos. Se pueden poner así sobre las barras piezas de forma apropiada cuya misión es derivar el arco en una dirección donde sus consecuencias provoquen menos estragos y estando todas más o menos controladas por una pantalla consumible. Estos dispositivos se denominan «trampas para arco».

4º.- Pantallas, Pasamuros

El fraccionamiento de un juego de barras en varios trozos como se acaba de decir ventajoso añadiendo un aislante físico eficaz entre las diferentes secciones. Los pasamuros constituyen pantallas sobre las que el arco se parará, pero su construcción debe de ser tal que sean resistentes al calor del arco durante el tiempo necesario (ver anexo).

5º.- Ventajas de las cajas independientes cerradas

Se produce un cortocircuito en un aparato por haberse olvidado sobre él una herramienta o una pieza metálica. Generalmente el arco que se crea encuentra buenas condiciones locales para permanecer «confinado» sobre el aparato incriminado, ionizando fuertemente las zonas próximas. Resulta que, si el interruptor está situado en un armazón, la ionización puede provocar descargas sobre los interruptores automáticos y juegos de barras vecinos y éstos la descarga general en toda la instalación.

En cambio, si cada aparato está separado del resto de la instalación por paredes metálicas, el riesgo de la generalización del defecto desaparece.

Cada aparato de maniobra se instala en el interior de un compartimento exclusivo cerrado donde sin embargo hay una zona neutra reservada para que la expansión del gas evite las sobrepresiones (ver anexo).


Figura 4: Sección de una Celda Blindada MCSet (Schneider Electric)

El acceso a los bornes de entrada y de salida se realiza por medio de pasamuros aislantes, limitando al interior del compartimento las consecuencias de cualquier arco que se produzca en su interior y protegiendo al aparato de un arco de origen externo.

Las maniobras de explotación del aparato (apertura y cierre) así como su puesta fuera de servicio por su entrada o por su salida (desenchufado) se realizan a puerta cerrada.

La retirada se ha de hacer abriendo antes completamente la caja del aparato; por tanto, el personal que ha de trabajar directamente ahí (para mantenimiento, control o sustitución) se encuentra entonces fuera del alcance del juego de barras y al amparo de cualquier «fogonazo» proveniente de otro aparato de ruptura situado en un compartimiento vecino.

6º.- Resistencia a los arcos internos en los cuadros AT

En las instalaciones de alta seguridad, ha surgido la necesidad de diseñar cuadros prefabricados AT capaces de soportar un arco interno, de tal manera que la seguridad del personal presente en las proximidades del cuadro no sufra ningún peligro por las chispas o las proyecciones de elementos del cuadro.

El diseño de estos cuadros especiales se realiza con ensayos reales en potencia, seguidos de simulaciones con programas de cálculo.

El proceso de evolución de un arco naciente en un espacio cerrado equipado con los captadores indispensables de sobrepresión, produce un conjunto de fenómenos complejos a lo largo de las siguientes fases de análisis:
  •  fase de compresión (de 5 a 15 ms) en la que la presión se eleva entre 1,2 y 1,8 bares,
  •  fase de expansión (una decena de ms) seguida de la apertura de las válvulas de sobrepresión y que coincide con una caída de presión,
  • fase de emisión (200 a 300 ms) durante la que los gases calientes se evacúan con un régimen casi constante,
  • la fase térmica (desde 200 ms hasta varios segundos) en la que el arco quema las planchas o los aislantes hasta la perforación. Así una plancha de 4 mm la perfora un arco de 35 kA en 300 ms.

La verificación de la resistencia al arco interno tuvo, ante todo, que estar codificada por una directiva de PEHLA (organismo de ensayo alemán) y posteriormente 1 978 por la modificación nº 2 de la CEI 298, debida a los trabajos del subcomité 17 C.


Figura 5: Ensayo de arco interno en cabina de MT

7º.- Detección optoelectrónica

Puede conseguirse una notable reducción de los efectos destructores del arco reduciendo su duración por debajo de su límite convencional de un segundo; este límite corresponde al tiempo de intervención de la protección, a menudo más elevada, debido a los imperativos de selectividad. Se consigue esta reducción de la duración del arco instalando detectores optoelectrónicos que producen también la apertura del interruptor automático principal (de entrada o de acoplamiento) en menos de 100 ms.

La fase térmica es prácticamente inexistente, consiguiéndose una reducción notable de los desperfectos y la posibilidad de una reposición rápida del servicio.


ANEXO

Características constructivas descritas en los apartados 3º, 4º y 5º 
aplicadas a celdas de MT





Figura 6: Características constructivas de celdas de MT




FUENTE:

Schneider Electric: Arcos de defecto en los juegos de barras de los cuadros (G. Bouvier y A. Ducluzaux)




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