ETAP - Arco electrico

Potencia y Tecnologías Incorporadas S.A – Todos los Derechos Reservados
Perfil Corporativo

Grupo de Usuarios ETAP
Análisis de Riesgo de Arco Eléctrico
Usando el Software ETAP - Requerimiento
RETIE 13.4

• Arco Eléctrico AC Descripción Física y Revisión general
• Normativa Colombiana (RETIE 13.4)
• Métodos de Cálculo (NFPA 70E y IEEE 1584)
• Datos Requeridos
• EPP Requeridos
• Etiquetas para Arco eléctrico
• Efectos de la coordinación de las protecciones
• Introducción al Arco Eléctrico DC (Métodos de Cálculo)
Agenda

El arco eléctrico es un haz luminoso
producido por la descarga de corriente de
forma brusca entre electrodos separados por
un medio aislante
Definición

Cómo se Produce?
Iarc
F
B
Iarc
1120 km/hora

 Ionización del aire.
 Acumulación de polvos.
 Contacto de herramientas con las partes
energizadas.
 Deterioro de aislamiento de los cables.
Algunas Causas

Normatividad
Colombiana
RETIE 2013

Normatividad
Colombiana
NFPA 70E-2015
Fuente Limitaciones/Parámetros
Lee, “The Other Electrical Hazard: Electrical
Arc Flash Burns”
Calcula la energía incidente y limites de arco
eléctrico para arcos en instalaciones abiertas;
conservativo sobre 600 V y se vuelve más
conservativo a medida que aumenta el voltaje
Doughty, et al., “Predicting Incident Energy to
Better Manage the Electrical Arc Hazard on
600 V Power Distribution Systems”
Calcula la energía incidente para el arco
trifásico en sistemas de 600 V e inferiores;
Aplica para corrientes de cortocircuito entre
16kA y 50kA
IEEE 1584, Guide for Performing Arc Flash
Calculations
Calcula la energía incidente y límite de arco
eléctrico para: 208V a 15kV; Sistemas
Trifásicos; 50Hz a 60Hz; Corrientes de
Cortocircuito de 700 A a 106,000 A; Distancia
entre conductores de 13mm a 152mm.
Doan, “Arc Flash Calculations for Exposure to
DC Systems”
Calcula energía incidente para sistemas DC
mayores de 1000V DC

Proceso de Legal en Caso de
un Accidente de Arco Eléctrico
Ocurre el
Accidente
Valoración
de la ARL
Etiquetas?
Programa de
Salud
Ocupacional?
ARL
Demanda por
Culpa Patronal
Sí No
Incapacidad
Pensión
Manual Único para
Calificación de Perdida
de la Capacidad Laboral
y Ocupacional
Decreto 1507 de 2014
Muerte?
NoSí
Evaluación de la
perdida de
capacidad laboral
Perdida mayor al
50%
Pensión a Cargo de
la ARL
Calculo de:
-Lucro Cesante
-Daño Emergente
para las Personas
que Dependían
Económicamente
Pago de Perjuicios
Morales para las
Personas que
Dependían
Sentimentalmente

Cálculo Lucro Cesante
LCC = (VH) X (1+i)n - 1
i
LUCRO CESANTE CONSOLIDADO (LCC)
LCF= VH (1 + i)n – 1
i(1 + i)n
LUCRO CESANTE FUTURO (LCF)

Métodos de
Cálculo
NFPA 70E-2015
Método Ralph Lee – Método Genérico

Métodos de
Cálculo
NFPA 70E-2015
Open Air
Doughty Neal Paper- Método NFPA 70E
Cubic Box

Métodos de
Cálculo
NFPA 70E-2015
Método IEEE 1584
�� = � + . �� + . � + . � + . � �� − . � ��
�� = . + . ��
�� = � + � + . �� +0.0011G
= .
�
.
= .
�
.
Ia
En
E

Métodos de
Cálculo
Comparación de los Métodos
Parámetro Requerido NFPA 70E IEEE 1584
Voltaje Nominal del
Sistema X X
Distancia entre
Conductores X
Factor X de Distancia X
Sistema de Puesta a
Tierra X
Tipo de Instalación
Encerrada/Abierta X X
Distancia de Trabajo X X
Información de la
Coordinación de las
Protecciones
X X

Métodos de
Cálculo
Límites de los Métodos

Métodos de
Cálculo
Comparación de los Métodos
Open Air Cubic Box
600V 600V
480V 208V
Open Air Cubic Box

Datos Requeridos
Voltaje del Sistema

Datos Requeridos
Distancia entre Conductores y Factor
de Distancia X

Datos Requeridos
Tipo de Instalación
Open Air Cable Bus
MCC PanelBoard
Switchgear Switchboard
Switchrack

Datos Requeridos
Distancia de Trabajo

Datos Requeridos
FTC – Tiempo de Despeje de la Falla

OTROS FACTORES
Orientación de los Conductores
(No están incluidos en la IEEE 1584)
• Effect of Electrode Orie tatio i Arc Flash Testi g – IEEE 40th IAS Meeting – 2005 pp
459-465
• Effect of I sulati g Barriers i Arc Flash Testi g IEEE PCIC- 2006 Paper PCIC-2006-06
• I pact of Arc Flash E e ts ith Out ard Co ecti e Flo s o Worker Protectio
“trategies , Paper No. E“W -11
 VCB Vertical Conductor in Box
 VCBB Vertical Conductor in Box with Barrier
 VOA Vertical Conductor in Open Air
 HCB Horizontal Conductor in Box
 HOA Horizontal Conductor in Open Air
VCB VCBB
VOA HCB
HOA

EPP Requeridos
Niveles de Riesgo
NFPA 70E 2015
RETIE 2013
NFPA 70E 2012

EPP Requeridos
Niveles de Riesgo
NIVELES DE EPP REQUERIDOS SEGUN
NFPA 70E 2015 - Tabla 130.7(C)(16)
Nivel cal/cm2 EPP Requerido
1 4
Camisa (manga larga) y pantalones
(largos) u overol; Capucha o máscara
contra arco eléctrico ; Chaqueta,
parka, ropa impermeable o forro para
debajo del casco (OP) ; Casco; Gafas
de protección o de montura integral
(RS); Protección auditiva (insertos
para canal auditivo); Guantes de
cuero para trabajos pesados; Calzado
de cuero (OP)
OP = opcional, según sea necesario
SC = según corresponda
RS = se requiere selección
http://www.liveline.co.za/flashsuits.php

EPP Requeridos
Niveles de Riesgo
NFPA 70E 2015 - Tabla 130.7(C)(16)
2 8
Camisa (manga larga) y pantalones
(largos) u overol; Capucha o máscara
contra arco eléctrico y pasamontañas
Chaqueta, parka, ropa impermeable o
forro para debajo del casco (OP);
Casco; Gafas de protección o de
montura integral (RS); Protección
auditiva (insertos para canal
auditivo); Guantes de cuero para
trabajos pesados (ver nota 3);
Calzado de cuero
http://www.licensedelectrician.com/Store/OE/Arc-Flash-Coats.htm

EPP Requeridos
Niveles de Riesgo
NFPA 70E 2015 - Tabla 130.7(C)(16)
3 25
Camisa (manga larga) (SC);
pantalones (largos) (SC); Overol (SC);
Chaqueta contra arco eléctrico (SC);
Pantalones contra arco eléctrico (SC);
Capucha contra arco eléctrico;
Guantes; Chaqueta, parka, ropa
impermeable o forro para debajo del
casco (OP); Casco, Gafas de
protección o de montura integral
(RS); Protección auditiva (inserciones
para el canal auditivo); Calzado de
cuero

EPP Requeridos
Niveles de Riesgo
NFPA 70E 2015 - Tabla 130.7(C)(16)
4 40
Camisa (manga larga) (SC);
pantalones (largos) (SC); Overol
(SC); Chaqueta contra arco
eléctrico (SC); Pantalones contra
arco eléctrico (SC); Capucha contra
arco eléctrico; Guantes; Chaqueta,
parka, ropa impermeable o forro
para debajo del casco (OP); Casco,
Gafas de protección o de montura
integral (RS); Protección auditiva
(inserciones para el canal auditivo);
Calzado de cuero
*A User's Guide to Electrical PPE

Etiquetas
NFPA 70E-2015 – 130.5 (D)
Equipment Labeling. Electrical equipment such as switchboards, panelboards, industrial
control panels, meter socket enclosures, and motor control centers that are in other than
dwelling units and that are likely to require examination, adjustment, servicing, or
maintenance while energized shall be field-marked with a label containing all the following
information:
(1) Nominal system voltage – Voltaje Nominal del Sistema
(2) Arc flash boundary – Frontera de Arco Eléctrico
(3) At least one of the following:-Al menos uno de los siguientes:
a. Available incident energy and the corresponding working distance, or the arc flash PPE
category in Table 130.7(C)(15)(A)(b) or Table 130.7(C)(15)(B) for the equipment, but not
both – Energía incidente disponible y la correspondiente distancia de trabajo, o la
categoría de arco eléctrico del EPP en la Tabla 130.7©(15)(A)(b) o Tabla 130.7(C)(15)(B)
para los equipos, pero no ambos.
b. Minimum arc rating of clothing- Clasificación mínima de ropa de arco.
c. Site-specific level of PPE-Nivel específico de EPP del sitio

Etiquetas
Ejemplo:

Etiquetas
Datos de las etiquetas
Fronteras de Arco Eléctrico - Límites de aproximación:

Etiquetas
Fronteras de Arco Eléctrico - Límites de aproximación NFPA 70E-2015:
Fronteradeaproximaciónrestringida
Fronteradeaproximaciónlimitada
EPP Requerido Siempre
LímitedeProteccióncontraArcoEléctrico
Equipo
Energizado
Personal No Calificado+EPP con Permanente
Acompañamiento de Personal Calificado+EPP.
No está Permitido Personal
No Calificado.
1.2cal/cm2
Quemaduras de
Segundo Grado
Sin EPP
Personal Calificado +
Competente para la
Tarea + Procedimiento
de Evaluación de Riesgo
+ Evaluación de Arco
Eléctrico + Procedimiento
de Trabajo Aprobado +
Permiso de Trabajo si es
requerido + EPP
Apropiado para el Arco
y para la tarea a realizar.
Competente para la
Tarea + Procedimiento
de Evaluación de Riesgo
+ Evaluación de Riesgo
de Choque Eléctrico .
Competente para la Tarea +
Justificación del Trabajo de
Contacto+ Procedimiento de
Evaluación de Riesgo +
Evaluación de Arco Eléctrico +
Evaluación de Riesgo de
Choque Eléctrico +
Procedimiento de Trabajo
Aprobado + Permiso de
Trabajo si es requerido + EPP
Apropiado para el Arco y+
EPP para Choque,
Herramientas, Equipo
Apropiado y Adecuado para
la Tarea a Realizar.
Alto Riesgo de Arco Eléctrico

Etiquetas
Fronteras de Arco Eléctrico - Límites de aproximación:
Rango de
Voltaje del
Sistema
Voltaje L-L
Conductor Movil Expuesto (ej.
Conductores de lineas aereas
apoyados en postes)
Parte Fija del Circuito
Expuesta
< 50 V No especificado No especificado No especificado
50 V - 150 V 3.0 1 Evitar Contacto
151 V - 750 V 3.0 1 0.3
751 V - 15 kV 3.0 1.5 0.7
15.1 kV - 36 kV 3.0 1.8 0.8
36.1 kV - 46 kV 3.0 2.5 0.8
46.1 kV - 72.5 kV 3.0 2.5 1
72.6 kV - 121 kV 3.3 2.5 1
138 kV - 145 kV 3.4 3 1.2
161 kV - 169 kV 3.6 3.6 1.3
230 kV - 242 kV 4.0 4 1.7
345 kV - 362 kV 4.7 4.7 2.8
500 kV - 550 kV 5.8 5.8 3.6
FRONTERAS DE APROXIMACION LIMITADA Y APROXIMACION
RESTRINGIDA SEGÚN
NFPA 70E 2015 - Tabla 130.4 D (a)
Frontera de Aproximación Limitada (m) Frontera de Aproximación
Restringida (m)

Etiquetas
Aislamiento de los guantes
Voltaje Maximo [V] Clase
500 00
1000 0
7500 1
17000 2
26500 3
36000 4
CLASE DE AISLAMIENTO DE LOS
GUANTES SEGÚN ASTM D120-14a

Etiquetas
Permiso de Trabajo - Informative Annex J
Energized Electrical Work Permit

Efecto de la Coordinación
de las Protecciones y
Técnicas de Mitigación
Vamos al Software!!

Arco Eléctrico DC

 Máxima Potencia
 Stokes y Oppenlander
 Paukert
Métodos de Cálculo
Usados por ETAP
OTROS
METODOS
EXISTENTES
Steinmetz:
Nottingham:
Van y Warrington:
Ayrton:

Conceptos Básicos
Resistencia del Sistema
sys
Vsys =

Limitaciones de
Cada Método
Método Mensaje de ETAP Condición
Máxima Potencia "Bus Nom Voltage > 1000 V dc"
Este método puede no ser preciso
para voltajes mayores a 1000V dc
Stokes y
Oppenlander
“Iarc < transition current point”
ETAP solo calcula la corriente de
arco cuando es mayor a la
corriente de transición
“Iarc not determined”
Es posible que la distancia entre
conductores sea muy grande
Paukert
“Iarc < 100 A”
Este método es para corrientes
mayores a 100A
“Iarc ≥ 100 kA”
Este método es para corrientes
menores a 100kA
“Iarc not determined”
Es posible que la distancia entre
conductores sea muy grande

 Este método asume que el sistema entrega su
máxima potencia cuando:
Método de
Máxima Potencia
Daniel R. Doan
� =
� � = �
(1) (2)

 Para convertir la Potencia en Energía se Multiplica
Por el Tiempo:
Desarrollando el
Método de Máxima Potencia…
� =
�
� Partiendo de:
= � ∗ � [W*s]o[J]
 Para convertir la Energía en calorías x 0.239
= . ∗ � ∗ � [cal]

Desarrollando el
 Reemplazando la Potencia
= . ∗
�
2
2
�
∗ � [cal]
D=Distancia de Trabajo
 Para encontrar la energía incidente, dividimos por
el área superficial de una esfera con radio D.
� = ∗ π ∗ �
� = ∗ . ∗

Desarrollando el
 Energía Incidente:
� =
��
[cal/cm2
]
 Reemplazando y Simplificando:
� = . ∗
�
�
∗
� ��
�
 Teniendo en cuenta que: � =
�
 Se Puede Reescribir: � = . ∗ � ∗ � ∗
� ��
�

Resumen
 Corriente de Arco:
� = . ∗ � ∗ � ∗
� ��
�
 Arc-In-Box:
NFPA 70E – 2015 Anexo D.5.1
� =
�
 Open Air:

Ejemplo
� = . ∗ � ∗ � ∗
� ��
�
� =
�
 Open Air:

Ejemplo
� = . ∗ � ∗ � ∗
� ��
�
� =
�
=
�
= �
 Open Air:
� = . ∗ ∗ ∗
.
= . ��
�

Comparación Resultados
� = . ��
�
� = �

PROS y CONTRAS
Pros: Siempre entrega resultados de corriente de arco. Simplicidad
de los cálculos (sin iteraciones o ecuaciones no lineales complejas). El
más conservativo de todos los métodos.
Contras: Puede ser demasiado conservativo porque la corriente de
arco es calculada mayor a situaciones de la vida real.

 Este método se basa ecuaciones generadas a
partir de las siguientes mediciones:
Método de
Stokes y Oppenlander
COBRE-Horizontal ALUMINIO-Vertical
500mm
100mm
20mm
5mm

 Ecuaciones generadas a partir de las mediciones:
Método de
� = + . � � .
� =
+ . �
� .88
� = + . �
 Corriente de Transición:
 Voltaje de Arco:
 Resistencia de Arco:
� = Distancia entre
conductores

 Para calcular la Corriente de Arco es necesario un
método iterativo:
Método de
Se asume una corriente inicial un como mayor de: � =
�
Paso 1
Paso 2
Se calcula una resistencia de arco con la formula: � =
+ . �
� .88
Paso 3
A la Resistencia de Arco del Paso 2 de Suma la Resistencia del
Sistema y con la Resistencia Total se calcula una nueva corriente de
arco, usando la formula:
� =
�
��
Esta sería la nueva Iarc para el paso 1, y
se continua hasta tener una variación
muy pequeña

Ejemplo del Cálculo
Iterativo para Hallar Iarc
� =
�
Paso 1 Paso 2
� =
+ . �
� .88
Paso 3
� =
�
��
� = . Ω � = � � =� = . kA
# Iteración Corriente
de Arco
(kA)
Resistencia
de Arco
(mΩ)
Resistenci
a Total
(mΩ)
Corriente
de Arco
Calculada
1 15 2.83 7.19 16.68
2 16.68 2.57 6.93 17.30
3 17.3 2.497 6.856 17.5
4 17.50 2.472 6.832 17.56
�� = � +�

 Finalmente para hallar la Energía Incidente:
Método de
Open Air:
� =
�
≈ � � �
Arc-In-Box:
� =
� +
Encerramiento a (mm) k
Tablero de
Distribución
100 0.127
Accionador BV 400 0.312
Accionador MV 950 0.416

Stokes y Oppenlander…
� = . ��
�
� = . �

Método de
Pros: Si la separación, la tensión y la impedancia del sistema están
dentro de los límites de las ecuaciones, el modelo puede predecir si se
mantiene el arco. Si la distancia es demasiado larga, no puede
encontrar una solución (Iarc demasiado baja). FCT es más preciso.
El cálculo es más preciso en lugar de sobre-conservativo.
Contras: Requiere soluciones iterativas que son mas difíciles de
resolver
Límites de los Cálculos: Si la corriente de arco está por debajo de la
corriente de transición, no se puede encontrar una solución.

 Paukert compiló datos de fallas de arco publicadas
por 7 investigadores
Método de
Paukert

 A Partir de las mediciones formuló distintas ecuaciones
que dependen de la distancia entre conductores:
Método de
Paukert
Para Corrientes de Arco Menores a 100A

Método de
Paukert
Para Corrientes de Arco entre 100A y 100kA

Método de
Paukert
Se calcula Iarc de igual forma que Stokes y Oppenlander:
Se asume una corriente inicial un como mayor de: � =
�
Paso 1
Paso 2
Se calcula una resistencia de arco con la formula: � =
+ . �
� .88
Paso 3
A la Resistencia de Arco del Paso 2 de Suma la Resistencia del
Sistema y con la Resistencia Total se calcula una nueva corriente de
arco, usando la formula:
� =
�
��
Esta sería la nueva Iarc para el paso 1, y
se continua hasta tener una variación
muy pequeña

Método de
Paukert
Y la Energía Incidente de igual forma que Stokes y Oppenlander:
Open Air:
� =
�
≈ � � �
Arc-In-Box:
� =
� +
Encerramiento a (mm) k
Tablero de
Distribución
100 0.127
Accionador BV 400 0.312
Accionador MV 950 0.416

Paukert
� = . ��
�
� = . �

Método de
Paukert
Pros: Al igual que Stokes y Oppenlander. Si la separación, el voltaje
y la impedancia del sistema están dentro de los límites de las
ecuaciones, el modelo puede predecir si se mantiene el arco. El
cálculo es más preciso en lugar de sobre-conservativo.
Contras: Requiere soluciones iterativas que son mas difíciles de
resolver
Límites de los Cálculos: La corriente no puede ser mayor a 100kA

Comparación
Resultados Max Power -Paukert -
Stokes/Oppenlander
MaxPower Paukert Stokes-Oppen
Iarc 5 6.917 7.445
Rarc 0.04 0.02 0.01
Varc 175 107.89 89.43
IE 1.12 0.264667 0.187333

Otros Métodos
Ayrton: Steinmetz:
Nottingham: Van y Warrington:

GRACIAS
POTENCIA Y TECNOLOGÍAS INCORPORADAS S.A.
Santiago de Cali
Av. Guadalupe No. 2-50
Cuarto de Legua PBX: +57 (2) 336 6461
FAX: + 57 (2) 513 0797
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