Arco Electrico

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

INFORME CURSO: TECNICAS DE ALTA TENSION

TEMA DE INVESTIGACION: ARCO ELECTRICO

PROFESOR: ING. HOLGER MEZA DELGADO

ALUMNO MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

CUI 20071625

2014

TECNICAS DE ALTA TENSION

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN AREQUIPA FACULTAD DE PRODUCCION Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

ARCO ELECTRICO PRESENTADO POR EL ALUMNO DE PREGRADO: ELMAN OSCAR MAMANI RODRIGO PARA OPTAR EL GRADO DE BACHILER DE INGENIERIO ELECTRICISTA

AREQUIPA – PERU 2014

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 1

TECNICAS DE ALTA TENSION

DEDICATORIA: Este trabajo la dedico a mi mama, por ser mi ejemplo de perseverancia y de lucha Constante forma el pilar más importante dentro mi vida personal y del inicio de mi carrera universitaria… Y de manera general a mi hermana y demás familiares por ser un apoyo incondicional.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 2

TECNICAS DE ALTA TENSION

AGRADECIMIENTOS: Agradezco de forma especial a mi madre la señora Bonifacia Rodrigo Choque y a mi hermana Lourdes Mamani Rodrigo al hacer de mi una persona perseverante y alcanzar mis objetivos gracias a sus inculcaciones.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 3

TECNICAS DE ALTA TENSION INDICE

DEDICATORIA:....................................................................................................... 2 AGRADECIMIENTOS: ............................................................................................ 3 1. INTRODUCCION ................................................................................................ 5 2.- ARCO ELECTRICO ........................................................................................... 6 2.1-NATURALEZA DEL ARCO............................................................................ 7 2.2 EFECTOS DEL ARCO ELÉCTRICO EN EL INTERIOR DE UN CUADRO ELÉCTRICO ........................................................................................................ 9 2.3 EFECTOS DEL ARCO ELÉCTRICO EN LAS PERSONAS......................... 10 Inhalación de gases tóxicos ........................................................................... 10 Quemaduras .................................................................................................. 10 Lesiones debidas a la proyección de materiales ............................................ 11 Daños en el oído ............................................................................................ 11 3. CUADROS EQUIPADOS CON DISPOSITIVOS QUE LIMITAN LOS EFECTOS DEL ARCO INTERNO (CONCEPTO DE PROTECCIÓN ACTIVA)....................... 12 4. CAUSAS DEL ARCO ELÉCTRICO................................................................... 14 5. ESTUDIO DE ARC FLASH ............................................................................... 15 6.- RIESGOS DEL ARQUEO DE UNA FALLA. .................................................... 16 7. PROBABILIDAD DE SOBREVIVIR ................................................................... 17 8. IMPACTOS DEL ARC FLASH........................................................................... 18 9.-FÍSICA DEL ARCO ELÉCTRICO ...................................................................... 20 Plasma Jet ......................................................................................................... 22 Transferencia Metálica ...................................................................................... 24 CONCLUSIONES.................................................................................................. 25 BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 26

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 4

TECNICAS DE ALTA TENSION

1. INTRODUCCION En electricidad se denomina arco eléctrico o también arco voltaico a la descarga eléctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial y colocados en el seno de una atmósfera gaseosa enrarecida, normalmente a baja presión, o al aire libre.1 Fue descubierto y demostrado por primera vez por el químico británico Humphry Davy en 1800. Para iniciar un arco se ponen en contacto, brevemente, los extremos de dos electrodos, usualmente en forma de lápiz, por lo general de grafito, y se hace pasar una corriente intensa (unos 10 amperios) a través de ellos. Esta corriente provoca un gran calentamiento en el punto de contacto, al separarse los electrodos, se forma entre ellos una descarga luminosa similar a una llama. La descarga está producida por electrones que van desde el electrodo negativo al positivo, pero también, en parte, por iones positivos que se mueven en sentido opuesto. El choque de los iones genera un calor intenso en los electrodos, calentándose más el electrodo positivo debido a que los electrones que golpean contra él tienen mayor energía total. En un arco abierto al aire a presión normal, el electrodo positivo alcanza una temperatura de 3500 grados celsius. Durante el tiempo de la descarga se produce una luminosidad muy intensa y un gran desprendimiento de calor. Ambos fenómenos, en caso de ser accidentales, pueden ser sumamente destructivos, como ocurre con la perforación de aisladores en las líneas de transporte de energía eléctrica en alta tensión o de los aislantes de conductores y otros elementos eléctricos o electrónicos.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 5

TECNICAS DE ALTA TENSION

2.- ARCO ELECTRICO En los últimos años, muchos usuarios han hecho hincapié en la seguridad de los cuadros eléctricos con miras a uno de los fenómenos electrofísicos más intensos y destructivos: el arco eléctrico. Este fenómeno da lugar a sobrepresiones internas y sobrecalentamientos locales que pueden provocar esfuerzos mecánicos y térmicos elevados en los componentes del cuadro. Los accidentes por arco pueden suceder por distintas razones: errores humanos, malas conexiones, animales, etc. A menudo se producen cuando un operario está trabajando en el cuadro, realizando su mantenimiento o instalación. Normalmente, estas tareas se realizan con una puerta del armario abierta, razón por la cual la protección del cuadro contra arcos eléctricos será significativamente menor. En este sentido, un sistema de protección adecuado viene a ser una parte natural del diseño de un cuadro moderno. Afortunadamente, los accidentes son bastante inusuales aunque sus consecuencias suelen ser graves, llegando a causar importantes lesiones o la muerte. En muchos casos estos accidentes también provocan tiempos de parada largos y la destrucción de los equipos. Por lo tanto, es de vital importancia desarrollar una solución de seguridad robusta que funcione en todo momento. La finalidad de este documento es explicar el uso correcto y la integración adecuada entre el nuevo Monitor de arco interno TVOC-2 –dispositivo capaz de detectar un arco eléctrico gracias a sensores ópticos– y los interruptores automáticos de ABB. Este documento no se propone abordar el concepto de cuadros resistentes a los arcos internos, sino que pretende describir un sistema de protección activa que limite los efectos de los mismos.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 6

TECNICAS DE ALTA TENSION

2.1-NATURALEZA DEL ARCO El arco eléctrico produce algunas de las mayores temperaturas conocidas que ocurren en la tierra, alrededor de 35,000 grados Fahrenheit. Esto es cuatro veces la temperatura superficial del sol. El intenso calor del arco causa la expansión súbita del aire. Esto resulta en una explosión con muy alta presión del aire. Todos los materiales conocidos son evaporizados a esta temperatura. Cuando los materiales son evaporizados, estos se expanden en volumen (Cobre - 67,000 veces; Agua – 1670 veces). La explosión puede propagar el metal derretido en el aire a mayores distancias con gran fuerza. En la siguiente figura se muestra el arco eléctrico en entre dos terminales y se describen cada consecuencia al ocurrir dicho arco.

El arco eléctrico es un fenómeno que se produce como resultado de una descarga. Esto ocurre cuando la tensión entre dos puntos supera el límite de rigidez dieléctrica del gas interpuesto. En presencia de las condiciones adecuadas, 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 debido 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. MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 7

TECNICAS DE ALTA TENSION 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. Los resultados del arco eléctrico se caracterizan 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 10 2 -10 3 hasta 10 7 A/cm), por altísimas temperaturas (varios miles de) 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.2

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 8

TECNICAS DE ALTA TENSION

2.2 EFECTOS DEL ARCO ELÉCTRICO EN EL INTERIOR DE UN CUADRO ELÉCTRICO 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 empieza a disminuir debido a la liberación del aire caliente. 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. Es entonces cuando 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; MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 9

TECNICAS DE ALTA TENSION además, la repentina onda de presión puede causar daños irreversibles en el tímpano; • Temperatura: un arco eléctrico puede alcanzar unos 70008000°C; • Ruido: un arco eléctrico puede emitir hasta 160 db (la detonación de un arma de fuego emite 130 db).

2.3 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 a emisión de la energía causada por un arco eléctrico son:    

inhalación de gases tóxicos; quemaduras; lesiones debidas a la proyección de materiales; daños 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.

Quemaduras Las elevadas temperaturas de los gases producidos por el arco eléctrico y la expulsión de partículas de metal 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. MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 10

TECNICAS DE ALTA TENSION

Lesiones debidas a la proyección 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 en la córnea y en la retina, dependiendo de las longitudes de onda de las radiaciones.

Daños en el oído Tal y como se ha señalado anteriormente, el arco eléctrico se manifiesta como una auténtica detonación, cuyo ruido puede provocar lesiones permanentes en el oído.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 11

TECNICAS DE ALTA TENSION

3. CUADROS EQUIPADOS CON DISPOSITIVOS QUE LIMITAN LOS EFECTOS DEL ARCO INTERNO (CONCEPTO DE PROTECCIÓN ACTIVA) 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 de diseño diferentes: 1. cuadros mecánicamente resistentes al arco interno (protección pasiva) 2. cuadros equipados con dispositivos que limitan los efectos del arco interno (concepto de protección activa) 3. cuadros equipados con 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. Las páginas siguientes se centran en los dispositivos que limitan los efectos del arco interno, es decir, la protección activa. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que una protección activa es intrínsecamente más compleja que una protección pasiva debido a la presencia de dispositivos electromecánicos/electrónicos adicionales que pueden estar sujetos a defectos o a disparos fallidos. La protección activa pretende garantizar la resistencia al arco interno mediante la instalación de dispositivos limitadores del arco. Los planteamientos pueden ser de dos tipos: • limitar los efectos destructivos del arco, una vez que se ha producido, por medio de detectores de sobrepresión; • Limitar los efectos destructivos del arco, una vez que se ha producido, por medio de detectores ópticos (Monitor de arco interno TVOC-2). La primera posibilidad consiste en instalar en el interior de los cuadros detectores de arco sensible a sobrepresiones. Como se ha indicado antes, la onda de sobrepresión es otro de los efectos que se manifiestan dentro de un cuadro cuando tiene lugar un arco. Por ello, pueden instalarse sensores de presión que, con un retardo de unos 10-15 ms, son capaces de detectar el pico de presión que acompaña la formación del arco.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 12

TECNICAS DE ALTA TENSION Esta señal actúa sobre el interruptor de alimentación sin esperar los tiempos de disparo, necesariamente más largos, de las protecciones selectivas. Un sistema de este tipo no requiere ningún dispositivo electrónico de procesamiento, sino que actúa directamente sobre la bobina de apertura del interruptor de alimentación. Naturalmente, es indispensable calibrar el dispositivo con umbrales de disparo fijos. El detector interviene una vez que se ha alcanzado cierta sobrepresión interna. Sin embargo, no es sencillo determinar anticipadamente un valor de sobrepresión generado por un defecto de arco interno. La segunda posibilidad consiste en instalar en el cuadro dispositivos que detectan el flujo luminoso asociado al fenómeno del arco eléctrico (detectores de arco). La lógica de funcionamiento es la siguiente: el fenómeno del arco, una vez se ha producido en el cuadro, lleva asociada una intensa radiación luminosa, que es detectada por el detector de arco. El Monitor de arco detecta el fenómeno y envía una señal de apertura al interruptor. En este caso el tiempo de reacción de la detección es de 1 ms. La Figura 1 muestra las posibles zonas de instalación del dispositivo en el interior de un cuadro. La solución ideal es la que prevé la instalación de al menos un detector para cada columna, reduciendo al mínimo la longitud de las fibras ópticas que conducen la señal.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 13

TECNICAS DE ALTA TENSION

4. CAUSAS DEL ARCO ELÉCTRICO El arco puede ser iniciado por las siguientes causas: Impurezas y Polvo Las impurezas y polvo en la superficie del aislamiento pueden proporcionar un camino para la corriente, permitiendo un flashover y creando la descarga del arco a través de la superficie. Esto puede desarrollar un mayor arqueo. Corrosión La corrosión de los equipos puede proporcionar impurezas en la superficie del aislamiento. La corrosión también debilita el contacto entre las terminales de los conductores incrementando la resistencia de contacto a través de la oxidación u alguna otra contaminación corrosiva.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 14

TECNICAS DE ALTA TENSION La condensación del vapor y el goteo del agua pueden crear un camino en la superficie de los materiales aislantes. Esto puede crear un flashover a tierra y la intensificación del potencial del arco de fase a fase.

Contactos Accidentales: El contacto accidental con la exposición de las partes vivas puede iniciar el arco de una falla. Caída de Herramienta La caída accidental de la herramienta puede causar un cortocircuito momentáneo, produciendo chispas e iniciando el arco. Sobre-Voltajes a través de espacios estrechos: Cuando el espacio de aire entre conductores de diferentes fases es muy estrecho (debido a la mala calidad o al daño de los conductores), el arco puede ocurrir durante el sobre-voltaje temporal.

Falla de los materiales aislantes. El arco eléctrico también es causado por lo siguiente: Utilización o diseño inapropiado del equipo. Procedimientos de trabajo inapropiados.

5. ESTUDIO DE ARC FLASH El análisis de un estudio de Arc Flash debe ser realizado en asociación con los estudios de cortocircuito y de coordinación de protecciones, ya que ambos estudios aportan la información necesaria para realizar el análisis de los riegos del Arc Flash. Los resultados del análisis de los riesgos del Arc Flash son usados para identificar el límite de protección de flasheo y la energía incidente en las distancias de trabajo asignadas a través de cualquier punto o nivel en el sistema de generación eléctrica, transmisión, distribución.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 15

TECNICAS DE ALTA TENSION Otra de las utilizaciones de los resultados obtenidos del análisis del Arc Flash, es especificar el adecuado equipo de protección personal (PPE por sus siglas en inglés), el cual debe ser del tipo y calidad para proteger todas las partes del cuerpo que estén expuestas al Arc Flash. Dicho (PPE) está conformado por ropa resistente a la flama, casco, protector para cara, lentes, guantes y zapatos de seguridad. En las figuras 4, 5 y 6 se muestran algunos equipos de protección personal. El cálculo de los riesgos de Arc Flash es realizado mediante diversos métodos. El método elegido puede estar basado en la información disponible, volúmenes de cálculo de trabajo, la necesidad de precisión, la disponibilidad y la calidad del programa del Arc Flash. Cualquier método empleado, requiere que lo realice personal calificado, el cual debe darse cuenta de las limitaciones que el método contiene, con la finalidad de obtener los mejores resultados. Los métodos para el análisis son de acuerdo a lo establecido por las siguientes normas: NFPA 70E IEEE Standard 1584 Con el estudio de Arc Flash y el adecuado dimensionamiento del equipo de protección, se pueden evitar siniestros, tales como quemaduras fatales que propiciarían un periodo largo de recuperación del personal afectado y en su caso hasta la muerte; significando perdidas humanas, económicas y de producción para la empresa, además de sustitución de equipo que integra el sistema eléctrico en cuestión. El uso de equipo de protección personal, tal vez no garantice la exposición a las altas temperaturas y los daños por las explosiones, pero si reduce las quemaduras a grados considerados curables. En las figuras 2 y 3 se muestran ejemplos de eventos ocurridos del Arc Flash.

6.- RIESGOS DEL ARQUEO DE UNA FALLA. Algunos de los riesgos del arqueo de una falla son las siguientes: 

Calor

Quemaduras fatales pueden ocurrir cuando la victima se encuentra a varios metros del arco. Serias quemaduras son comunes a una distancia de 3 metros.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 16

TECNICAS DE ALTA TENSION 

Objetos

La extensión del arco produce la caída de pequeños objetos metálicos a alta presión. La explosión puede penetrar el cuerpo. 

Presión

La onda de presión de la explosión puede lanzar a los trabajadores a través del cuarto, noqueándolos. La presión en el pecho puede ser mayor a 2000 lb ft. 

Ropa

La ropa es quemada a varios metros. El área de la ropa, puede ser quemada más severamente que la piel expuesta. 

Pérdida auditiva por explosión sonora.

El sonido puede tener una magnitud hasta de 140 dB a una distancia de 60.96 cm del arco.

7. PROBABILIDAD DE SOBREVIVIR La siguiente tabla muestra la probabilidad de sobrevivir de una persona de acuerdo a su edad y porcentaje de quemaduras en el cuerpo.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 17

TECNICAS DE ALTA TENSION

Explicación: Una persona tiene posibilidad de sobrevivir al 100% si se encuentra en el rango de edad de 20-29.9 años y si sólo sufrió quemaduras del 25%. Una persona de edad avanzada, por ejemplo si tomamos el rango de 50-59.9 años, sólo tiene la probabilidad de sobrevivir del 60%, si en su caso sufrió quemaduras del 50%. Esto quiere decir, a mayor edad y con un porcentaje alto de quemaduras, menor será la probabilidad de sobrevivir.

8. IMPACTOS DEL ARC FLASH Debido a las quemaduras producidas por el arco, la piel puede requerir años de tratamiento con medicamento y rehabilitación. La victima podría no regresar a trabajar o no tener la misma calidad de vida. Algunos de los costos directos son: El tratamiento puede exceder de $ 1, 000, 000 de dólares por caso. Litigación de honorarios Perdidas de producción

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 18

TECNICAS DE ALTA TENSION

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 19

TECNICAS DE ALTA TENSION

9.-FÍSICA DEL ARCO ELÉCTRICO Arco termoiónico: -Electrodo inconsumible de tungsteno (cátodo) - Atmósfera de gas inerte En este modelo los electrones son emitidos desde el cátodo (-) caliente y son acelerados en el campo eléctrico aplicado entre el electrodo y la pieza. Al colisionar con las moléculas del gas inerte le ceden su energía aumentando la temperatura de las mismas. Cuando se alcanza la energía térmica suficiente las moléculas de gas se ionizan y el proceso se vuelve autosostenido. Los iones positivos producidos en la columna de plasma son acelerados hacia el cátodo, donde ceden su energía por colisión aumentando la temperatura del mismo, permitiendo la continuidad de la emisión termoelectrónica. La formación del plasma es gobernada por un concepto extendido de la ley de los gases ideales y por la ley de acción de las masas.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 20

TECNICAS DE ALTA TENSION

Las temperaturas en el arco eléctrico pueden ser sumamente elevadas (15000 a 30000 ºK).

El tiempo de decaimiento del plasma gaseoso una vez extinguida la corriente es del orden de 10^-3 seg. lo que es importante en la soldadura en corriente alterna La corriente en la columna del arco es bipolar, dado que los electrones viajan en una dirección y los iones positivos en otra. El numero de iones positivos y de electrones en cualquier región del arco se encuentra en equilibrio de forma de asegurar la neutralidad eléctrica. Debido a esto se cumple en la columna del arco la ecuación de Laplace.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 21

TECNICAS DE ALTA TENSION

Integrando esta ecuación se observa que el potencial de la columna del arco varía en forma lineal a lo largo del mismo, por lo que el gradiente de potencial es constante En la vecindad inmediata de los electrodos el gas no puede existir a alta temperatura debido al efecto refrigerante de los mismos, por lo que no establece la ionización térmica ni se satisface la neutralidad de la carga. Esto genera un exceso de cargas positivas en la zona adyacente al cátodo y negativas en el ánodo que provoca un notable aumento del gradiente de potencial, denominándose caídas catódica y anódica respectivamente. La energía total entregada por los electrones al ánodo está dada por:

Plasma Jet En el arco eléctrico a partir de un efecto electromagnético que mediante una acción de bombeo produce un jet gaseoso responsable en gran medida de la transferencia metálica del electrodo a la pieza

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 22

TECNICAS DE ALTA TENSION

Esto significa que sobre el arco actúan fuerzas radiales que tienden a constreñirlo sobre su eje hasta que el incremento de la presión debido a esto compense las fuerzas de origen electromagnético

Dado que el arco de soldadura no responde a una geometría cilíndrica, sino que adopta una forma acampanada con mayor restricción en el electrodo, se establece un exceso de presión en dicha zona, que se puede aproximar suponiendo la velocidad del fluido nula

Este exceso de presión genera un flujo de gas denominado plasma jet con velocidades del orden de 10^4 cm/seg

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 23

TECNICAS DE ALTA TENSION

Transferencia Metálica

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 24

TECNICAS DE ALTA TENSION

CONCLUSIONES Con lo que respecta al trabajo realizado, podemos concluir que es indispensable realizar una evaluación del sistema eléctrico con los estudios de cortocircuito y coordinación de protecciones previamente, antes de abordar con el estudio de Arc Flash, ya que el estudio de cortocircuito proporciona la magnitud de corriente en condiciones de falla, así como en el estudio de coordinación de protecciones se determina el tiempo de operación de los equipos de protección y las condiciones de sobrecarga. Es importante realizar el análisis de Arc Flash, ya que con esto se tiene una estimación correcta de la energía incidente y los límites de protección a los que se debe de trabajar, así como determinar la categoría y tipo de equipo de protección personal que se debe emplear de acuerdo al nivel de energía incidente y no sobre dimensionar el equipo de protección, ya que podría causar incomodidad propiciando accidentes que causarían la iniciación del arco. Asimismo se evita en un 90% siniestros tales como quemaduras fatales que propiciarían un periodo largo de recuperación del personal afectado y en su caso hasta la muerte; significando perdidas humanas, económicas y de producción para la empresa, además de sustitución de equipo que integra el sistema eléctrico en cuestión.

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 25

TECNICAS DE ALTA TENSION

BIBLIOGRAFIA                    

http://www.corona.com.co/Administratorpanel/pdf_files/793_boletin40.pdf http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6216/13capitulo04.pdf?sequence =13 http://www.tecnun.es/asignaturas/PFM_Mat/Prog/Dielecv2.pdf http://www.upv.es/materiales/Fcm/Pdf/Practicas/fcm09trb.pdf http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/9570/1/TFM_Aurelio%20Bo ya.pdf http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm09/trb9_3.html http://www.bdigital.unal.edu.co/10697/ http://www.herrera.unt.edu.ar/me/material/apuntes/clase15materiales%20di elect.pdf http://www.uclm.es/profesorado/maarranz/Documentos/alumnosmateriales0 506/G4-propiedades%20dielectricas%20y%20su%20control.pdf http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/dielectricos/dielectrico.htm http://www.ecured.cu/index.php/Diel%C3%A9ctrico [1] Practical Solution Guide to Arc Flash Hazard, Published by ESA, Inc. 2003 [2] IEEE Std 1584. IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations. 2002 [3] NFPA 70E. Standard for Electrical Safety in the Workplace. 2004 [4] Salisbury. www.whsalisburi.com/arc_flash . [5] Maintenance Technology. www.mt-online.com [6] Alliant Energy. www.alliantenergy.com

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

Página 26