Técnicas de Mitigación de Arco Eléctrico y Soluciones Propuestas por GE

Oscar A. Alvarado PachecoIngeniero Mecánico Electricista.

Alvaro Fernando Guerrero Especialista en gerencia estratégica

de negocios, PMP.

General Electric

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Este documento describe las actualizaciones en materia de protección y mitigación del arco eléctrico efectua-

das en las versiones más recientes de las normas NFPA 70 (NEC) y NFPA 70E, se indican los inconvenientes de selecti-vidad que se presentan en los ajustes de coordinación de protecciones en las zonas de disparo instantáneo, además contiene una serie de productos y soluciones que General Electric ha desarrollado y propone implementar conforme a los beneficios y la practicidad en las diferentes industrias nacionales.

This document describes the updates for arc flash’ protec-tion and mitigation in the latest version of NFPA 70 (NEC) and NFPA 70E standards, selective issues in short current pro-tection coordination are indicated, this paper contain some products and solutions developed by General Electric and the proposed for all national industries.

Palabras Clave

Arco eléctrico, Mitigación, Soluciones

Oscar A. Alvarado PachecoIngeniero Mecánico Electricista.

Alvaro Fernando Guerrero Especialista en gerencia

estratégica denegocios, PMP.

General Electric

Keywords

Arc flash, Mitigation, Solutions

I. GLOSARIO

Arco Eléctrico (arc flash), Es el fenómeno en donde se presenta una descarga eléctrica a través del aire en una atmosfera altamente cambiante entre 2 elementos con diferencia de potencial. De acuerdo a la IEEE Std C37.20.7- 2007 se define Como; “3.5 internal arcing fault: An unintentional discharge of electrical energy in air within the confines of a switchgear enclosure.”

Arc Resistant, De acuerdo a la IEEE Std C37.20.7 2007 se define como: “3.1 Arc resistant switchgear: Equip-ment designed to withstand the effects of an internal arcing fault.”

Arc Watch Technology, Es el concepto de GE que engloba nuevas tecnologías para reducir los riesgos de la generación de un arco eléctrico y/o reducir los daños generados por el mismo al equipo o al personal.

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II. INTRODUCCIÓN

Este documento hace un recuento de las técnicas demitigación de arco interno que se establecen en las más recientes normas internacionales, NFPA 70E versión 2015 y NEC versión 2014 y de las soluciones que propone General Electric para cumplir con lo es-tablecido en dichos códigos y/o estándares, garan-tizando ante todo la vida humana y la conservación del equipamiento eléctrico.

III. CAUSAS COMUNES DEL ARCO ELÉCTRICO Y SUS

PRINCIPALES LESIONES

Durante la operación y el mantenimiento del equi-pamiento eléctrico los operadores se ven expuestos a una alta probabilidad de accidentes del tipo eléc-trico, ya sea por errores humanos, deterioro del ais-lamiento en los equipos, instalaciones defectuosas, corrosión en los elementos de unión, contaminación, humedad en los equipos o entrada de polvo a los tableros, entre otras, estas condiciones usualmente desencadenan en arcos eléctricos que impactan di-rectamente en las instalaciones y en los operadores que probablemente se encuentren ejecutando algún tipo de mantenimiento programado.

Una eventualidad como un arco eléctrico puede ge-nerar lesiones del tipo auditivas, con niveles de ruido cercanos a los 150 dB, ceguera permanente o tem-poral, dado que la radiación de la onda de choque es cercana a los 50 000 Lx, lesiones internas, debido a la descarga eléctrica la resistencia corporal cambia según el incremento de la temperatura y los órganoshumanos se ven expuestos a lesiones permanentes, fatalidades instantáneas, según la característica del accidente de arco eléctrico y la exposición del ope-rador o personal que se encontrara cerca del equipo en falla. Para mitigar un arco eléctrico no es suficien-te que los tableros sean arc resistant, ya que ésta tecnología contienen la falla pero no limita la energíadel incidente, con lo cual los equipos eléctricos sue-len ser cambiados o sometidos a mantenimientos que pueden tardar meses.

IV. CÓDIGOS Y/O ESTÁNDARES DE PROTECCIÓN ARCO ELÉCTRICO Y AJUSTES EN LA COORDINACIÓN

DE PROTECCIONES

En la actualidad códigos y/o estándares internacio-nales como lo son la NFPA 70E (National Fire Pro-tection Association) versión 2015 y el NEC (National Electrical Code) versión 2014, formalizan los valores de corriente de los sistemas de potencia en los cua-les se debe ejecutar un estudio de arco eléctrico e incorporan una serie de técnicas de mitigación del arco eléctrico, de las cuales resaltan las siguientes:

NEC 2014 (240.87 Arc Energy Reduction)Métodos de reducción de tiempo de Apertura1. Zona de enclavamiento selectivo2. Relevador diferencial3. Switch de Mantenimiento con indicación local de estado4. Sistema reductor de energía activo5. Medios equivalentes6. Relevador de arco eléctrico7. Resistencias de puesta a tierra8. Equipos limitadores de corriente NFPA 70E 2015Anexo O.2.3 Incident Energy Reduction Methods1. Zona de enclavamiento selectivo2. Relevador diferencial3. Switch de Mantenimiento con indicación local de estado Anexo O.2.4 Otros Métodos4. Sistema reductor de energía activo5. Relevador de arco eléctrico6. Resistencias de puesta a tierra7. Equipos limitadores de corriente

Frecuentemente al realizar los estudios de coordi-nación de protecciones se presenta una traslape en la zona del disparo instantáneo entre los diferentes interruptores de un ramal, con lo cual se pierde la selectividad en la coordinación entre un totalizador y una salida de distribución, tal como lo podemos apreciar en la figura 1, la zona de disparo instan-táneo (color magenta), esto indica que en caso de

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presentarse una falla los interruptores pueden estar operando al mismo tiempo, dejando el sistema de potencia por fuera y generando pérdidas cuantiosas en la diversas industrias, además se expone el siste-ma a un incremento en la energía incidente en caso de una falla de arco eléctrico, recordando que un in-terruptor caja moldeada opera en promedio en 25 ms y un interruptor de corte en aire alrededor de 50 ms, después de haber detectado la falla.

Figura 1. Perdida de coordinación de protecciones en la zona del disparo instantáneo.

Para casos como el anteriormente mostrado la NFPA 70E y el NEC establecieron un objetivo común1 que deben seguir todas las técnicas de mitigación de arco eléctrico a través de la coordinación selectiva, con lo cual se garantiza que la selectividad y el corte en el ramal indicado bajo condiciones de arco eléc-trico en la zona de falla instantánea.

V. SOLUCIONES PARA LA MITIGACIÓN DE ARCO ELÉCTRICO

Según lo establecido por las versiones más reciente de las normas NFPA y del NEC, General Electric ha configurado un portafolio de soluciones integrales para la mitigación del arco eléctrico a la medida de cada necesidad.

A. Solución para implementar la protección por zona de enclavamiento selectivoEn la actualidad existen diferentes ofertas en el mer-cado para cubrir este requerimiento. Las unidades de protección electrónicas de los interruptores pue-den ser suministradas con este tipo de protección para las funciones de protección de Tiempo Corto (S) y/o para Falla a Tierra (G). En esta función lo que se busca es tener ajustes bajos que aparentemente noestán coordinados pero mediante la comunicación entre unidades electrónicas mantengan la coordina-ción selectiva en condiciones de falla manteniendo siempre el mínimo de energía de incidente posible. En el caso de GE también se encuentra disponible la opción para la función Instantánea (I) lo cual permite que el sistema sea completamente selectivo a dife-rencia de la oferta común en el mercado, tal como semuestra en la figura 2.

Figura 2. Zona de enclavamiento selectivo en interruptores.

1 La localización de una condición de sobrecorriente para restrin-gir las interrupciones en el circuito o equipo afectado, logrado por la selección y la instalación de dispositivos de protección de so-brecorriente y sus prestaciones o ajustes para toda la gama de sobrecorrientes disponibles, desde la sobrecarga de la corriente de falla máxima disponible, y para la gama completa de la aper-tura del dispositivo de protección contra sobrecorriente tiempos asociados a los sobrecorriente.

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Todos los interruptores que cuentan con la unidad deprotección Entelliguard tienen un algoritmo de de-tección diferente al convencional ya que éste permi-te realizar un reconocimiento de forma de onda (WFR por sus siglas en inglés) con la finalidad de lograr una coordinación selectiva con interruptores limitadores de corriente y poder ajustar las protecciones a valo-res de operación más rápidos que en la coordinación convencional, en la siguiente figura se ilustra la for-ma de actuar de éste sistema.

Figura 3. Coordinación selectiva con interruptores limitadores.

La unidad de protección Entelliguard de GE está in-tegrada en la oferta de interruptores de potencia y como opción para los interruptores de caja moldea-da (figura 3)

Figura 3. Unidad de protección Entelliguard

Si los derivados son fusibles limitadores, interrupto-res o protectores para motores, es posible utilizar un

interruptor de potencia aguas arriba ajustándolo de tal manera que se obtenga sensibilidad y selectivi-dad de manera simultánea.

B. Relevador DiferencialEsta solución típicamente es utilizada en sistemas de media tensión para protección de líneas de transmi-sión o transformadores para detectar posibles fallas a lo largo de la línea o internamente en el transfor-mador. Aplicar este tipo de soluciones en equipos de baja tensión representa una mayor inversión pero incrementa la sensibilidad de las protecciones y per-mite identificar fallas de arco en el bus principal an-tes de que se conviertan en corto circuitos francos.

GE puede implementar este tipo de protección en ta-bleros de baja tensión tipo switchgear con el sistema ENTELLISYS

C. Switch de Mantenimiento con indicación lo-cal de estado (Reduced Eergy Let Through)El de mantenimiento es un dispositivo que nos per-mite cambiar temporalmente el grupo de ajuste de la coordinación de protecciones en el sistema de po-tencia, de tal forma que si se ha planeado un mante-nimiento preventivo sobre algún tablero, es posible activar el relé por el periodo en el que durará dicho mantenimiento, de esta forma el sistema de coordi-nación de protecciones aumentará la sensibilidad yreducirá la magnitud de la energía a la que el per-sonal pudiera estar expuesto en caso de una falla, ver figura 3. El sistema protege corrientes de falla de hasta 100KA.

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Figura 3. Ajuste de sensibilidad en la curva de protección de los interruptores a través del relé de mantenimiento.

Este tipo de dispositivo puede ser activado de for-ma manual o automática, a través de sensores de movimiento, lo cual lo hace ideal para subestacio-nes desatendidas, donde el personal que ingrese a la subestación está temporalmente protegido.Para determinar el ajuste temporal en modo RELT esimportante que se realice el estudio correspondien-te de coordinación de protecciones y de Arc Flash ya que la coordinación con dispositivos aguas abajo podría verse afectada y debe analizarse la situación para maximizar la seguridad y minimizar el impacto en la coordinación.

D. Solución para implementar Sistema reduc-tor de energía activoGE cuenta con un equipo de grandes prestaciones en la reducción de energía en caso de presentarse arco eléctrico en una subestación, el Arc Vault. Éste equipo puede contener una falla de arco en menos de 8ms. Cuando se detecta una falla de arco la uni-dad de protección envía una señal de operación al domo de contención al recibir esta señal el Arc Vault redirige la falla al domo y la contiene en 8ms, mien-tras tanto, se envía la señal de disparo al interruptor que se encuentra aguas arriba para abrir el circuito en 3 o 5 ciclos dependiendo del tipo de interruptor utilizado. Al contener la falla y alejarla del operador y del equipo se logra reducir el nivel de energía de incidente a valores de 1.2cal/cm2 lo que ayuda a re-ducir la posibilidad de lesiones al personal o daños al equipo.

Figura 4. Arc Vault, equipo de mitigación de arco eléctrico de energía activa.

Tal como se muestra en la figura 4, el Arc Vault pue-de ser instalado en subestaciones ya existentes de cualquier fabricante, lo cual genera grandes presta-ciones al usuario final.Un análisis previo es requerido para determinar la posibilidad de implementar el equipo.

E. Solución para implementar la protección por relevadores de arco eléctricoDentro de la gama de relés Multilin, General Electric cuenta con el relé A60, ver figura 5, el cual integra la protección a través de unos sensores de luz y pre-sión que ayudan a la detección de arco eléctrico, el tiempo estimado de inicio de disparo es de 1ms, a esto se suma el tiempo de operación del interruptor que protege el ramal, con lo cual se garantiza una coordinación efectiva ante la presencia de un arco eléctrico en cualquier tablero.Este relé utiliza sensores de última generación mo-nitoreando la luz y onda de presión generadas du-rante un evento de arco eléctrico, éstos sensores patentados por GE son capaces de detectar y enviar una señal de operación en menos de 2ms reducien-do significativamente la energía de un evento de ar-coeléctrico.

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Figura 5. Relé de detección de arco eléctrico, Multilin A60.

VI. BENEFICIOS DE MITIGAR EL ARCO ELÉCTRICO

En el mercado actual existen diversas soluciones, entre ellas los equipos denominados Arc Resistant los cuales tienen ciertas aplicaciones en sistemas donde no es posible reducir los niveles de ener-gía calórica a valores seguros para los operadores. Para los sistemas donde aplicando diversas técni-cas de mitigación de arco se logra reducir las ca-lorías a valores seguros se pueden obtener bene-ficios que inciden positivamente en la salud de los operadores, de la subestaciones y en el bienestar de los activos de cada subestación.

• Reduce el riego de lesiones o daños a los equi-pos y al personal.• Reduciendo la energía incidente se reduce el daño y por ende los equipos puede ponerse en servicio más rápido y más seguros.• Se reduce el estrés a los equipos durante una falla(transformadores, cables, entre otros).• Mantiene coordinación de protecciones y redu-ceenergía de incidente al mismo tiempo.

VII. REFERENCIAS

[1] National Fire Protection Association, “Standard for Electrical Safety in the Workplace,” NFPA 70E, vol. 1 130.2 (A)(4), Jul. 2015.[2] National Fire Protection Association, “Na-tional Electrical Code,” NFPA 70, vol.1, Article 750, Apr. 2014.

[3] DEQ-215 2014 National Electric Code® Updates[4] IEEE C37.20.7 IEEE Guide for Testing Metal-En-closed Switchgear Rated Up to 38 kV for Internal Arcing Faults

VIII. RESEÑA DE AUTOR

Oscar A. Alvarado Pacheco, Ingeniero Mecánico Electricista. Actualmente se desempeña como Líder de Aplicación y Especificaciones de equipo de distribución eléctrica para Latino América dentro de GE.oscar.alvarado@ge.com

Alvaro Fernando Guerrero, Ingeniero en Distribución y Redes Eléctricas, Especialista en gerencia estratégica de negocios, PMP. Actualmente se desempeña como Ingeniero de especificación para Colombia y Ecuador dentro de GE. alvaro.guerrero@ge.comhttp://www.geindustrial.com/