¿Qué es un arco eléctrico y por qué importa?
Un arco eléctrico es una descarga sostenida a través del aire entre conductores a distinto potencial. Libera en milisegundos una cantidad enorme de energía en forma de calor, presión y luz, y es el evento con mayor potencial de daño a personas y equipos dentro de una sala eléctrica.
Los arcos eléctricos pueden ocasionar múltiples problemas en los sistemas de distribución de energía. En sistemas industriales y mineros las consecuencias económicas son considerables: se detiene el proceso productivo y muchas veces no se cuenta con el equipamiento de repuesto para sustituir los componentes destruidos. El plazo de reposición de una celda de media tensión se mide en meses, no en días.
Por eso es importante contar con equipos capaces de detectar el arco al inicio de su generación y liberar en el menor tiempo posible las fuentes de energía que lo alimentan. Si la detección es lo bastante rápida se evita la pérdida de los componentes internos de la celda, la deformación de la envolvente y la explosión.
Nuestro sistema permite detectar la generación del arco en 1 ms. A partir de ahí se envía la señal de apertura a los interruptores que alimentan la falla, de modo que en un tiempo muy por debajo de los 100 ms el arco queda extinguido y la instalación y sus operadores quedan a salvo de las consecuencias destructivas del evento.
El fenómeno del arco eléctrico
El fenómeno del arco está compuesto por desprendimiento de calor, presión, tensión, corriente y luz. Durante el evento se evidencia:
- Crecimiento rápido de la presión y la temperatura.
- La temperatura del plasma puede alcanzar los 20 000 K.
- Calor extremo que funde y vaporiza el metal, y genera gases tóxicos.
- Ondas de alta presión, equivalentes a una explosión de gran magnitud.
Conviene entender los cuatro efectos por separado, porque cada uno exige una medida distinta y ninguna los cubre todos:
| Efecto | Manifestación | Consecuencia |
|---|---|---|
| Térmico | Radiación y proyección de metal fundido desde el punto del arco. | Quemaduras graves en el personal expuesto y destrucción de barras y aislamientos. |
| Onda de presión | Expansión súbita del aire y del metal vaporizado dentro de la envolvente. | Apertura violenta de puertas, proyección de partes y lesiones por impacto. |
| Acústico y luminoso | Estampido y destello de muy alta intensidad. | Daño auditivo y ceguera temporal, que agravan la evacuación. |
| Gases | Vaporización de cobre y descomposición de materiales aislantes. | Atmósfera tóxica y contaminación conductiva del resto del tablero. |
Las consecuencias de un arco eléctrico van desde la pérdida de los equipos hasta la posibilidad de daño al personal que opera el sistema de potencia.
Por qué el tiempo lo es todo
El arco crece en tiempos del orden del milisegundo y la energía liberada es proporcional a I² × t (véase IEEE 1584). De los dos factores, la corriente de falla viene impuesta por la potencia de cortocircuito de la instalación y no es una variable de diseño libre. El tiempo sí lo es, y es sobre él donde se puede actuar.
Esa relación explica por qué la protección de arco no se resuelve subiendo la categoría del equipo de protección personal: reducir el tiempo de despeje de 300 ms a menos de 100 ms recorta la energía incidente en la misma proporción, y puede llevar un punto de la instalación desde una categoría de riesgo muy alta hasta una en la que el trabajo es admisible con el EPP habitual.
La protección de sobrecorriente convencional no basta. Un arco en baja tensión puede establecer una corriente inferior a la de cortocircuito franco, dentro del rango donde la curva del interruptor tarda cientos de milisegundos o incluso segundos en actuar. Durante todo ese tiempo el arco sigue alimentado. La detección óptica resuelve precisamente ese punto ciego.
El sistema de protección de arco
El sistema de protección de arco emplea sensores ópticos conectados a un relé que puede operar bajo dos criterios de disparo:
- Luz. El disparo se produce en cuanto un sensor detecta el destello. Es el criterio más rápido.
- Luz y sobrecorriente. El disparo exige que ambas condiciones coincidan. Añade unos milisegundos, pero elimina el riesgo de operación indebida por destellos ajenos a una falla —una linterna, un flash, la apertura de una puerta.
La elección entre uno y otro no es un detalle de configuración: depende de la criticidad del proceso y de la disciplina de acceso a la sala eléctrica. En instalaciones donde una parada intempestiva tiene un costo comparable al del propio daño, el criterio combinado suele ser la decisión correcta.
Dónde se instalan los sensores
Los sensores se colocan en cada compartimiento donde pueda originarse un arco: celdas de media y baja tensión, centros de control de motores (CCM), ductos de barra y transformadores. Pueden instalarse tanto en sistemas eléctricos nuevos como en instalaciones existentes, lo que convierte al sistema en una de las pocas mejoras de seguridad que se pueden incorporar sin sustituir el tablero.
El criterio de cobertura es por compartimiento, no por celda: barras, cables y aparamenta ocupan volúmenes separados por tabiques metálicos, y un sensor sólo ve el compartimiento en el que está.
Cómo se ordenan las medidas de mitigación
La protección de arco es una capa dentro de una estrategia más amplia. El orden de prioridad es siempre el mismo: primero eliminar la exposición, después reducir la energía, y sólo al final proteger a la persona.
| Prioridad | Medida | Qué logra |
|---|---|---|
| 1. Eliminar | Trabajo sin tensión, enclavamientos, operación y racking remotos. | Nadie está delante del equipo cuando podría producirse el arco. |
| 2. Reducir | Detección óptica de arco, ajuste de mantenimiento en las protecciones, selectividad lógica. | Recorta el tiempo de despeje y con él la energía incidente. |
| 3. Contener | Celdas resistentes al arco con evacuación de gases dirigida. | Canaliza presión y gases lejos del frente de operación. |
| 4. Proteger | Equipo de protección personal acorde con la energía incidente calculada. | Última barrera: reduce la gravedad de la lesión, no la probabilidad del evento. |
El punto de partida es un cálculo, no un catálogo. La energía incidente y la distancia de frontera de arco se determinan por punto de la instalación mediante un estudio de arc flash, a partir del modelo de cortocircuito y de los tiempos reales de despeje de las protecciones. Sin ese cálculo no es posible ni etiquetar los tableros ni especificar el EPP con criterio.
Cómo abordamos un proyecto de protección de arco
- Levantamiento de la instalación. Diagrama unifilar, características de celdas y compartimientos, y verificación de los tiempos reales de operación de los interruptores existentes.
- Estudio de cortocircuito y arc flash. Cálculo de la energía incidente y de la frontera de arco en cada punto, para identificar dónde está concentrado el riesgo.
- Definición de la arquitectura de detección. Cantidad y ubicación de sensores, criterio de disparo por zona, e integración con los interruptores que deben abrir en cada escenario.
- Ingeniería de detalle. Planos de montaje, cableado de fibra o sensores puntuales, lógica del relé y esquemas de disparo.
- Montaje y pruebas. Instalación en sitio, pruebas de inyección y verificación del tiempo total de despeje extremo a extremo, no sólo del tiempo de detección.
- Etiquetado y capacitación. Señalización de los tableros con la energía incidente resultante y entrenamiento del personal de operación y mantenimiento.