CAUSAS ELECTRICAS DEL FUEGO

Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
CAPÍTULO 2
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
2.1 ASPECTOS GENERALES
En este capítulo se analizará las causas eléctricas del fuego. El énfasis son los
sistemas de baja y media tensión, las cuales podemos encontrar en edificios
residenciales o comerciales. Este capítulo también contiene los principios básicos de
la física que se relacionan con la electricidad y el fuego.
Las instalaciones eléctricas y equipos eléctricos en general deben ser considerados
como una fuente de ignición al igual que otras posibles fuentes y no como la primera
o la única alternativa. La presencia de cableado eléctrico o equipo cerca del origen de
un incendio no significa necesariamente que el incendio fue causado por la energía
eléctrica. A menudo el fuego puede destruir el aislamiento o causar cambios en la
apariencia de conductores o equipos que pueden dar lugar a falsas suposiciones.
Los conductores eléctricos y equipos que se instalan y utilizan adecuadamente,
protegidos correctamente con fusibles o interruptores en buen estado y
funcionamiento, no suelen presentar un peligro de incendio. Sin embargo, los
conductores y el equipo pueden proporcionar fuentes de ignición en caso de contacto
con materiales fácilmente inflamables que estén presentes donde han sido instalados
y si las instalaciones eléctricas no ofrecen una total garantía de seguridad, como
puede ser conductores a la intemperie, defectos de aislamiento, etc.
Por tal razón es imprescindible conocer las condiciones en donde se encontraría un
posible foco de ignición o un punto potencial de riesgo que puede originar una
combustión y desarrollarse en un incendio. Para ello debemos analizar los fenómenos
eléctricos involucrados, sus magnitudes y la energía que pueden desarrollar.
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2.1.1
Incendios por condiciones de las instalaciones eléctricas.
Los riesgos de incendio de naturaleza eléctrica pueden darse debido a muchos
factores, entre los principales tenemos que las instalaciones eléctricas no están
realizadas técnicamente, por lo general no se toma en cuenta las indicaciones del
fabricante para los materiales eléctricos utilizados como puede ser la temperatura,
voltaje, corriente que puede soportar, etc. y más aún no se sigue estándares de una
óptima instalación. Entre las medidas que no se toman en consideración tenemos:
a) Que la instalación eléctrica puede presentar peligro de incendio para materiales
fácilmente inflamables instalados en su proximidad.
b) La temperatura de los materiales eléctricos pueden alcanzar valores susceptibles
de ocasionar un incendio.
c) Los materiales eléctricos pueden ser susceptibles de originar arcos o chispas.
d) Los materiales y los componentes de equipos eléctricos pueden comportarse
como material combustible y puede aportar al desarrollo de un incendio
e) También pueden desprender gases tóxicos o humos, sobre todo de aislamientos
en descomposición debido a cortocircuitos, arcos eléctricos, etc., que también
pueden aportar calor por convección, para el inicio de la combustión.
Algunos de estos criterios se deben tener en consideración a la hora de diseñar y
realizar instalaciones eléctricas, teniendo presente siempre que la corriente eléctrica
es generadora de calor, como se verá más adelante por el efecto Joule y que este
calor hay que conducirlo, evitar su acumulación y hacer lo posible para que se disipe
adecuadamente, porque los mismos materiales eléctricos pueden comportarse como
material combustible si el calor se confina y no se disipa o si entra en contacto con
material combustible, con la aportación de oxigeno, entonces podemos hablar de una
posible fuente de ignición.
2.1.2
Riesgos asociados a los fallos eléctricos
Los principales riesgos que presenta la electricidad en una instalación eléctrica y más
aun si en esta se presenta fallos, son los asociados al peligro que puede presentar para
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las personas y para los bienes, en este ultimo llegando a producir incendios si existe
las condiciones.
2.1.3
Daños a personas
La causa fundamental de daños producidos por la electricidad a una persona es el
paso de la corriente eléctrica a través del cuerpo humano. Para que circule intensidad
a través del cuerpo es necesario que entre dos partes del mismo se aplique una
tensión (o diferencia de potencial). Por el hecho de que el cuerpo humano en su
conjunto esté a un potencial distinto de otro existente en algún objeto accesible de su
entorno, aparece un riesgo de choque eléctrico. Este análisis se verá en el último
apartado de este capítulo, donde se presenta los fallos de aislamiento y las
consecuencias para las personas.
2.1.4
Daños a bienes
Los fallos en la instalación eléctrica, por lo general dan como consecuencia el daño
de los equipos eléctricos, el deterioro paulatino de aislamientos en especial de
conductores y ser un potencial riesgo para causar una ignición y desencadenar en un
incendio. Entre estas fallas podemos citar a la sobrecarga, el cortocircuito, una
sobretensión y/o una descarga atmosférica, todas estas generan gran impacto en la
instalación en su conjunto, si estos fenómenos eléctricos se mantienen en el tiempo o
se dan con regularidad, disminuyendo cada vez más las características de
funcionalidad de la instalación eléctrica.
En numerosas ocasiones se atribuye el origen de un incendio a un cortocircuito, ya
que este tipo de falla es el más conocido y tal vez el más llamativo, pero no se
considera que dentro de una instalación eléctrica intervienen otros tipos de fallas que
se están desarrollando, a veces menos llamativas y mas silenciosas, como puede ser
una sobrecarga, o una falla de aislamiento. En la sobrecarga se genera calor y la falla
de aislamiento hace que la corriente eléctrica traspase el aislamiento y fugue al
exterior.
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Ahora bien si tenemos una falla eléctrica, por sí sola no genera consecuencias, hasta
que entre en contacto con una persona o con materiales que puedan entrar en ignición
o atmósferas inflamables. Es decir unido al fallo eléctrico debe haber la facilidad que
preste la instalación para que una persona entre en contacto con el mismo y de igual
forma el material combustible, por ejemplo conductores que este al aire libre,
sometido a cualquier fuerza externa, sufren degradación del aislamiento,
produciéndose un cortocircuito y que en el lugar y en el momento del cortocircuito
esté material combustible como puede ser la gasolina.
2.1.5
Definiciones básicas referentes a la Ignición.
Se debe conocer los principales conceptos relacionados a la ignición, ya que estos lo
utilizaremos con regularidad a lo largo de este trabajo.
Áreas peligrosas (atmósferas inflamables): son los lugares donde existan o puedan
existir vapores o gases inflamables que mezclados con el aire produzcan mezclas
inflamables.
Ignición: La ignición constituye el fenómeno que inicia la combustión.
Fuentes de ignición: Cualquier proceso o evento capaz de causar incendio o
explosión.
Temperatura de Ignición: es la mínima temperatura que una sustancia debe
conseguir para entrar en ignición bajo condiciones específicas de prueba.
Autoignición: es la iniciación de la combustión por la temperatura pero no debido a
una chispa o una llama.
Energía mínima de ignición (EMI): La más débil energía acumulada en un
condensador, que al descargarse es suficiente para producir la ignición de la
atmósfera más fácilmente inflamable, en condiciones de ensayo determinadas.
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Punto de Inflamación: es la temperatura del líquido combustible a partir del cual
éste comienza a emitir vapores (38°C), cuya concentración en el aire, es el límite
inferior de inflamabilidad. Es decir sin vapor no hay inflamación. Cuanto más
temperatura más vapor
Polvo combustible: Polvo que es combustible o inflamable mezclado con aire.
2.1.6
Origen de los fenómenos eléctricos.
También es importante conocer los términos y conceptos utilizados en la
electricidad, tales como corriente, voltaje, resistencia, etc. ya que estas son
magnitudes que intervienen en la formación de la energía eléctrica.
Los átomos están formados por un núcleo central donde se encuentran los protones
(+) y los neutrones (sin carga) y una órbitas alrededor de éste donde se sitúan los
electrones (-) que giran. Las cargas del mismo signo se repelen y cargas de distinto
signo se atraen:
FIG 13: Cargas eléctricas.
Como la materia es neutra, debe haber el mismo número de protones que de
electrones en un átomo pero como los protones están muy ligados al núcleo es muy
difícil que lo abandonen. Sin embargo, los electrones necesitan solo un pequeño
―empujón‖ (aporte de energía) para escapar del átomo.
Al escapar un electrón, conseguimos una carga negativa (el electrón e-) y una carga
positiva (el resto del átomo)
FIG 14: Transferencia de cargas.
De aquí se desprende una consecuencia. La carga negativa existe por sí misma,
mientras que la carga positiva es el resultado de la ausencia de la negativa.
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2.1.7
Corriente eléctrica.
Cuando se ponen en contacto dos cuerpos cargados con signos opuestos, uno con
exceso y otro con defecto de electrones (e- ), hay un flujo de electrones destinado a
volver a los dos cuerpos al estado neutro. Los electrones se mueven, debido a que
hay un flujo de cargas + del cuerpo que tiene exceso de cargas + al que tiene falta de
cargas +.
FIG 15: La corriente eléctrica.
En comparación con un sistema hidráulico, el paso de agua finalizará cuando se
igualen los dos depósitos. Al chorro de agua (chorro de cargas positivas) se le llama
corriente eléctrica.
Efecto de la corriente eléctrica.
Cuando un cuerpo es atravesado por la corriente eléctrica se producen 3 efectos:
1. Efecto calorífico: al atravesar la corriente eléctrica un cuerpo, éste se calienta. Es
el efecto Joule.
2. Efecto químico: la corriente eléctrica es capaz de descomponer ciertas sustancias.
(electrólisis).
3. Efecto magnético: siempre que hay corriente eléctrica se produce un campo
magnético que sirve para mover elementos mecánicos. Es el principio de
funcionamiento de los motores.
2.1.8
Intensidad de la corriente eléctrica.
Es la cantidad de carga Q (se mide en Culombios) que atraviesan la sección de un
conductor en la unidad de tiempo.
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I: Amperios;
Q: Culombios;
t: segundos;
1A= 1C/ 1s
2.1.9
Potencial eléctrico.
Se llama potencial al ―nivel‖ eléctrico de un cuerpo. Siguiendo con la analogía
hidráulica, sería la altura que alcanza el agua en el depósito. Para medirlo habrá que
tomar un nivel de referencia. Si fijamos el nivel 0 en el potencial de los cuerpos
neutros habrá potenciales positivos y negativos según el cuerpo esté cargado positiva
o negativamente.
FIG 16: Potencial eléctrico.
El potencial se mide en Voltios (V). Para que haya corriente eléctrica tiene que haber
diferencia de potencial (diferencia de alturas entre los depósitos).
2.1.10 Caída de tensión, diferencia de potencial o voltaje.
Cuando nos referimos a la diferencia de potencial entre dos puntos A y B lo
notaremos como VAB, esto significa VA - VB siendo VA el potencial en el punto A y
VB el potencial en el punto B.
FIG 17: Diferencia de potencial o voltaje.
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2.1.11 Resistencia eléctrica.
Es una característica de cada material y es la mayor o menor oposición que presenta
un material a dejarse atravesar por la corriente eléctrica.
Se representa por la letra R y se mide en
(ohmios).
La resistencia de un material depende de: el material, la longitud y la sección
(superficie transversal
: Resistividad (depende del material) y se mide en
.m,
.cm,
.mm.
l: longitud (se mide en m, cm o mm.).
S: sección (se mide en m², cm² o mm²).
2.1.12 Ley de Ohm.
Es la ley fundamental de los circuitos eléctricos. Se expresa como ―La diferencia de
potencial entre 2 puntos de un circuito es igual al producto de la intensidad que
circula entre dichos puntos por la resistencia que existe entre ellos‖.
FIG 18: Ley de Ohm.
2.1.13 Circuito eléctrico.
Es el trayecto que recorre la corriente eléctrica. Para que esto se produzca debe haber
una diferencia de potencial. Debe ser un circuito CERRADO.
Consta de los siguientes elementos:
a) Fuente: elemento que proporciona la diferencia de potencial necesaria.
b) Receptores o cargas: elementos que usan la corriente eléctrica. Son elementos
resistivos (bombillas, resistencias, timbres, motores, etc.,).
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c) Conductores: cables que comunican las pilas con los receptores.
d) Elementos de maniobra: interruptores, pulsadores, etc que permiten cortar a
voluntad el paso de la corriente eléctrica.
FIG 19: Circuito eléctrico.
2.2 CALENTAMIENTO POR EFECTO JOULE
2.2.1
Ley de Joule
Si en un conductor circula electricidad, parte de la energía cinética de los electrones
se transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las moléculas
dentro del conductor por el que circulan elevando la temperatura del mismo; este
efecto es conocido como efecto Joule.
Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o
moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda
o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los
electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su
recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los
electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética
(velocidad) que es cedida en forma de calor.
FIG 20: Celda unitaria y red cristalina.
Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica
producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la
intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la
resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente:
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Siendo:
Q = energía calorífica producida por la corriente expresada en Julios
I = intensidad de la corriente que circula
R = resistencia eléctrica del conductor
t = tiempo
El efecto Joule se aprecia en numerosos fenómenos cotidianos. Por ejemplo, se
emplea para generar calor a partir de la electricidad mediante calefactores eléctricos.
Pero también tiene efectos indeseables en los circuitos, ya que provoca el
calentamiento de los motores eléctricos, de las bombillas de iluminación y de los
cables, con el consiguiente riesgo de incendio y las pérdidas de energía.
El efecto calorífico, también llamado efecto Joule, puede ser explicado a partir del
mecanismo de conducción de los electrones en un metal. La energía disipada en los
choques internos aumenta la agitación térmica del material, lo que da lugar a un
aumento de la temperatura y a la consiguiente producción del calor. La ley de Joule,
por su parte, puede ser enfocada como una consecuencia de la interpretación
energética de la ley de Ohm. Si I · R representa la energía disipada por cada unidad
de carga, la energía total que se disipa en el conductor en forma de calor, cuando
haya sido atravesado por una carga q, será:
Pero dado que
, se tiene finalmente:
Que es precisamente la ley de Joule.
2.2.2
Física del Efecto Joule
Toda resistencia eléctrica libera calor cuando una corriente eléctrica circula a través
de ella. Esta conversión de energía eléctrica en calor es conocida como Efecto Joule.
El calor liberado por la resistencia es absorbido por el medio que lo rodea.
La ley de Joule establece que la potencia P ó rapidez con que se disipa energía
eléctrica en forma de calor en el resistor esta dado por P = dW/dt = VI, siendo V la
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caída de potencial en la resistencia, I la corriente que circula por ella. La energía
eléctrica cedida durante el tiempo t es:
Suponga, por ejemplo, que una resistencia R está sumergida en cierta cantidad de
agua Magua (masa del agua) a una temperatura Ti y que el agua a su vez está
contenida dentro de un calorímetro de masa Mcal. Considerando que por el principio
de conservación de energía, toda la energía eléctrica se transforma en energía
calórica Q:
FIG 21: Efecto Joule.
De otro lado tenemos que el valor ganado por el sistema, Qsis, agua más calorímetro,
puede determinarse mediante la expresión:
En donde c
agua
y
c cal,
corresponden al calor especifico del agua y del calorímetro
respectivamente, ΔT representa el incremento en la temperatura por encima del valor
inicial Ti.
Si la energía eléctrica la hemos calculado en joules y la calorífica en calorías, los
valores de W y Q no son numéricamente iguales, así que podemos calcular el valor
en joules correspondiente a una caloría, llamado el equivalente mecánico del calor
J:
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Donde Joule demuestra que para elevar la temperatura de un gramo de agua en 1 °C
se necesitan 4,186J. Así demostrando que el calor liberado por la resistencia es
absorbido por el medio que lo rodea, es decir calienta el agua.
2.2.3
Ignición a causa del calentamiento Joule.
Para que haya ignición debida a una fuente eléctrica, debe haber suficiente calor y
temperatura para encender una cantidad de materiales combustibles, cercanos a esta
fuente de ignición.
Suficiente calor y la temperatura son generados por el paso de una corriente elevada
a causa de exceso de corriente a través de cableado o equipos, la resistencia de
calentamiento, o de fuentes ordinarias, como bombillas, calentadores y equipos de
cocina. El requisito para que la ignición se dé es la temperatura de la fuente eléctrica
que se mantenga el tiempo suficiente para llevar el combustible adyacente a su
temperatura de ignición, con aire para permitir la combustión.
La presencia de suficiente energía para el encendido no asegura ignición. La
distribución de la energía y la pérdida de calor son factores que deben ser
considerados. Por ejemplo una pequeña bombilla de unos pocos vatios hará que el
filamento se caliente, lo cual indica temperaturas superiores a los 2204 ° C, esta si
entra en contacto durante un largo periodo de tiempo con materiales que sirvan como
combustible, por ejemplo la tela de una cortina, es posible que esta se inflame. Al
considerar la posibilidad de ignición eléctrica, la temperatura y la duración del calor
debe ser lo suficientemente grandes para causar la ignición inicial de los
combustibles. También otro factor a considerar es el tipo y la geometría del
combustible.
2.2.4
Resistencia eléctrica como factor de calentamiento.
Cuando la corriente eléctrica fluye a través de un material conductor, se producirá
calor. Este calor dependerá de la magnitud de corriente que atraviesa el material, el
tiempo que está circulando dicha corriente y la resistencia que presenta el material al
paso de la corriente.
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Algunas partes específicas, tales como filamentos de luz y elementos de calefacción
están diseñados para llegar a ser muy calientes, por ofrecer una alta resistencia al
paso de la corriente eléctrica. En estos dispositivos el calentamiento es normal, pero
se puede dar un calentamiento anormal en las conexiones deficientes, presentándose
en esos puntos una alta resistencia (puntos calientes), impidiendo el fluido normal de
la corriente eléctrica.
2.2.5
Puntos calientes.
Toda conexión deficiente presenta un aumento de resistencia eléctrica, que da lugar
a un punto caliente (calor) con lo que la circulación de corriente se ve afectada en el
conductor o contacto afectado, incidiendo en el aumento del calor en ese punto,
ahora como la energía generada por el efecto Joule aumenta conforme transcurre el
tiempo, esta podría ser una posible causa para iniciar una combustión, si se le suma
algunas condiciones, como un material inflamable en el punto caliente o si la falla
empeora con el tiempo, produciendo cada vez más calor y generando por tanto más
peligro.
Los puntos calientes en la instalación eléctrica, se generan normalmente por:
a) Contactos Flojos o defectuosos, en las conexiones y derivaciones del cableado.
b) Pinzamientos del propio cableado, es cuando los conductores eléctricos no están
dentro de tubería y sufren el peso de objetos colocados encima de ellos.
c) Reducción de sección de los conductores.
2.2.5.1 Contactos flojos o defectuosos
La conexión floja o defectuosa es la perdida de presión en su sistema de
acoplamiento, en la unión de componentes eléctricos, motivo por el cual, se
considera como responsable potencial en las causas desencadenantes de los incendios
de origen y naturaleza eléctrica. Todo punto de contacto metálico por el fluye
energía eléctrica, ofrece una resistencia eléctrica denominada resistencia de contacto,
cuyo valor dependerá de: la presión mecánica que haya entre ellos, a esta presión se
le denomina presión de contacto, de las características de esos metales y del estado
de la superficie de contacto.
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2.2.5.2 Presión mecánica
En toda instalación eléctrica, nos vamos a encontrar con diferentes y variados puntos
de conexiones, uniones y derivaciones del cableado, ejecutados mediante distintos
sistemas de presión, cuya anomalía por deficiencia en la presión y por consiguiente
incremento de resistencia, sobrecarga o fallo de aislamiento, desencadenara en un
punto caliente, por lo que se deberá tener presente la forma de ejecución:
Por cepo, consistentes en un resorte permanentemente en tensión, presión
constante en forma de tenaza.
FIG 22: Conexión sistema cepo
Por tornillo, consistente en una mordaza tornillo, presión puntual
FIG 23: Conexión sistema tornillo
Por retorcimiento o entrelazado, consistente en unir los extremos de los
cableados a conectarse entre sí, es el llamado empalme; recubierta mediante un
borne o cinta aislante.
FIG 24: Conexión sistema entrelazado
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Toda pérdida de presión en una conexión, unión, derivación, etc. eléctrica, produce
un aumento de resistencia eléctrica y por tanto un punto caliente (ley de JOULE)
dependiendo del cuadrado de la intensidad de corriente que transcurre por esa línea,
al coeficiente de resistencia de ese conductor y sistema de conexión, junto al tiempo
en el que ha estado expuesto a ese paso de flujo de corriente. En este proceso de
deterioro calorífico, se produce la pérdida de elasticidad de estos metales, que impide
una correcta presión.
Todo esto desencadena un proceso acumulativo, que a más resistencia, genera más
temperatura y con ello más deterioro y así sucesivamente. Durante este proceso se va
formando óxido de cobre, que al ser de menor conductividad eléctrica, forma una
mayor resistencia y con ello, un elevado grado de su punto calorífico que puede
llegar a producir la fusión de sus materiales.
2.2.5.3 Naturaleza y características de los metales
Se debe considerar la naturaleza del metal empleado de conductor y del sistema de
conexión. El conductor por lo general es de cobre o de aluminio, en cambio el
sistema de conexión puede ser el latón y de acero, en regletas, bornes, terminales,
etc.
Al tratarse de metales distintos a conexionar, que también tienen diferente
coeficiente de resistividad al paso de la corriente eléctrica, por ejemplo a 20°C los
coeficientes del aluminio 0,02857 Ω; el cobre: 0,01786 Ω; el latón: 0,07 a 0,09 Ω; el
acero: 0,10 a 0,25Ω; el hierro: 0,10 a 0,15 Ω, es por los que en esta clase de uniones
se producen puntos calientes.
2.2.5.4 Dilatación contracción
Es el cambio de volumen que sufre todo cuerpo debido a su cambio de temperatura,
es un fenómeno físico que sufren todos los cuerpos, incluidos los metales que
intervienen en las conexiones, cada uno de ellos con diferente coeficiente de
dilatación, en el cobre: 0,000017, aluminio: 0,000024, latón: 0,000018, hierro-acero:
0,000012
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Si tenemos presente, que toda conexión es un punto caliente y que el calor genera en
todo cuerpo un proceso de ―Dilatación-Contracción‖, tendremos que con el tiempo y
la intensidad de corriente en paso por ella, los metales existentes en esa conexión,
tenderán a perder elasticidad y habrán perdido presión en su unión, con lo que
tendríamos una conexión floja.
2.2.5.5 Corrosión
Es otro de los factores que aumenta la resistencia eléctrica, siendo las más
importantes la atmosférica y la galvánica, la atmosférica depende principalmente del
tiempo en el que la capa generada por la condensación de la humedad, permanece
sobre el metal junto con la combinación de sales.
La corrosión galvánica, es una forma electroquímica de corrosión, que se da por
contacto físico de dos metales de diferentes potenciales eléctricos, o a través de un
medio electrolítico que permita el flujo de la corriente (flujo de electrones de uno al
otro). El medio electrolito necesario para esta corrosión, o sustancia capaz de
conducir la corriente eléctrica, puede ser el agua, o la humedad, que pueden darse en
cajas de derivación, cuadros de protección y mando, etc.
2.2.5.6 Superficie de contacto
La superficie de contacto depende, de la forma que presentan las diferentes partes y
de la presión aplicada, por lo que se comprende que unos contactos esféricos con
poca presión, dan lugar a una conexión deficiente, como consecuencia de que se
reduce considerablemente la sección de paso.
2.3 SOBREINTENSIDADES
Todos los sistemas eléctricos en algún momento presentan sobreintensidades y a
menos de que sean removidas rápidamente, se presenta aumento de calor en los
componentes del sistema eléctrico, daños en el aislamiento, conductores y equipos.
Sobreintensidades altas (miles de amperios) pueden derretir conductores y vaporizar
los aislamientos.
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Por lo que las sobreintensidades incontroladas, junto con materiales fácilmente
inflamables y con las condiciones necesarias pueden ser un foco de ignición y
producir, incendios y explosiones. Existen dos tipos de Sobreintensidades: la
sobrecarga y el cortocircuito.
Sobrecarga
Es el aumento de corriente en un circuito eléctrico algo mayor que la nominal
durante un periodo de tiempo largo.
Corto circuito
Fenómeno eléctrico ocasionado por una unión accidental o intencional de muy baja
resistencia entre dos o más puntos de diferente potencial de un mismo circuito. Este
fenómeno genera una corriente de gran magnitud en un periodo de tiempo muy corto
denominado sobrecorriente.
2.3.1
Sobrecargas
Una sobrecarga es causada comúnmente por cargar en exceso el sistema eléctrico,
como lo podemos apreciar al instalar demasiados equipos, tales como muchos
motores en una línea. Las sobrecargas también son causadas por partes mecánicas,
como daños en rodamientos, correas, bandas, etc. Si no se desconecta dentro del
límite de tiempo, la corriente se elevara aumentando la temperatura en los
componentes del circuito causando daños a los aislamientos y otros componentes del
sistema eléctrico.
FIG 25: Protección contra Sobreintensidades
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La principal característica de la sobrecarga es que la corriente superior a la nominal
se mantiene en el tiempo, siendo así que el sistema de protección eléctrico debería
actuar para desconectar esa corriente elevada y evitar que se genere calor y
temperaturas peligrosas. Aun moderados aumentos de temperatura pueden reducir
considerablemente la vida de los equipos. Por ejemplo sobrecargas de tan solo el
15% en motores, reducen la vida de aislamiento en un 50%. Frecuentemente ocurren
sobrecargas temporales y normales. Ellas pueden ser causadas temporalmente por
equipos, tales como maquinas herramientas de cortes profundos, o puede ser el
resultado de arranques de cargas inductivas, tales como motores, energización de
transformadores, etc. Siempre que sean sobrecargas temporales normales de
operación, el dispositivo de protección no debe operar. Estas sobrecargas temporales
se entiende como corrientes superiores a las normales pero que no se mantienen en el
tiempo, sino más bien la corriente desciende a su nivel nominal.
Sin embargo, si la sobrecarga continua y el elemento protector no entra en
funcionamiento, es decir no desconecta el circuito e impide la circulación de
corriente elevada, es posible que haya daños en el sistema como la elevación de la
temperatura en los puntos de conexión generando puntos calientes, así también la
destrucción de los aislamientos de conductores y equipos eléctricos, provocando esta
destrucción de aislamientos, fugas de corriente, que si estaría materiales inflamables
cercanos, daría lugar a un foco de ignición y degenerar en un incendio.
2.3.1.1 Sobrecarga causa de ignición
Como se señaló la sobrecorriente es la condición en que fluye más corriente que lo
permitido en un circuito eléctrico. La magnitud y la duración de la sobrecorriente
determinan si existe una posible fuente de ignición. Por ejemplo, una sobreintensidad
de 25A en un conductor de cobre 14 AWG que solo soporta 15A no debe suponer
peligro de incendio si los conductores están bajo canalizaciones o ductos. En cambio
una gran sobrecarga de 120A en un conductor 14 AWG, por ejemplo, hace que el
conductor se caliente al rojo vivo y podría ser la causa de ignición, siempre y cuando
a estas condiciones de sobrecarga eléctrica se presenten otras, que aporten a la
formación del fuego, como es el material combustible, las condiciones climáticas que
inciden en la temperatura, etc.
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Es importante señalar que las sobreintensidades que persisten en el tiempo; es decir,
sobrecarga y que no son detectadas por la protección eléctrica, por ejemplo en los
conductores, calientan los aislamientos a tal punto que se llegan a unir degenerando
en cortocircuitos.
2.3.1.2 Análisis de sobrecarga en conductores eléctricos
El siguiente análisis muestra cómo se puede presentar una sobreintensidad, en el
supuesto de que el circuito funcione a plena carga. Un calentador eléctrico portátil y
una olla están conectados a un cable de extensión N º18 AWG. El calentador está
valorado en 1500 W y la olla es de 900 W.
El total de amperaje de un circuito es la suma del amperaje de cada dispositivo que
está conectado al circuito. El total de amperaje de un circuito que consta de tres
tomacorrientes es el amperaje total de todos los dispositivos conectados en estos
tomacorrientes. Del mismo modo, el total de amperaje a un cable de extensión es la
suma del amperaje de cada dispositivo conectado al cable de extensión.
En el ejemplo se ilustra en la Figura 26, los amperajes calculados son 12,5 y 7,5A
por lo que el total de amperaje de cable de extensión cuando ambos aparatos estaban
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funcionando fue 12,5 + 7,5 = 20,0 A. La capacidad de conducción de corriente
máxima debe ser de 10 A en el cable de extensión N º 18 AWG.
FIG 26: Cálculo de la corriente total
Por lo tanto, el conductor portaba una sobreintensidad. La cuestión que debe
determinarse es si esto creó una sobrecarga, ya que como mencionamos la sobrecarga
se presenta como una corriente superior a la normal que permanece por largo tiempo.
Por lo que: ¿La sobreintensidad fue lo suficientemente grande en el tiempo como
para causar un sobrecalentamiento peligroso? En una situación como se muestra en
la Figura 26, donde al parecer existía una sobrecarga, es necesario demostrar que
estas condiciones podrían crear un aumento suficiente de la temperatura como para
causar la ignición. Una sobrecarga no es prueba absoluta de causar un incendio.
2.3.1.3 Condiciones para que la sobrecarga sea causa de ignición
Como se anotó anteriormente una sobrecarga por sí sola no es suficiente para causar
una ignición. Lo que se debe analizar en las causas que originan la ignición son
precisamente los elementos que ayudan a la formación del fuego.
FIG 27: Elementos del fuego
En este caso seria de analizar si la energía de activación (sobrecarga) produjo el
suficiente calor y por ende la suficiente temperatura, para que materiales
combustibles cercanos a la sobrecarga entren en ignición.
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Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Entonces tenemos que considerar dos cosas: las características del combustible en
juego y la temperatura generada por la sobrecarga
2.3.1.4 Características del combustible
Para que sea propicia una ignición se debe considerar siempre las características del
combustible, ya que no es lo mismo si tenemos madera, a tener gasolina en el
ambiente circundante.
Por ejemplo la madera no entra fácilmente en ignición, ya que depende del tiempo al
cual está expuesta y la temperatura desarrollada por la energía de activación. Si
tenemos como ejemplo el pino, y si le aplicamos energía con una temperatura de
157°C no entrará en ignición hasta después de 40 minutos, ahora si seguimos
aumentando la temperatura, el tiempo para que el pino entre en ignición es menor,
así en 350°C tenemos 1,4 minutos.
No Ignicion en 40 minutos Exposicion antes de ignicion por una llama de prueba, en minutos
Madera
32mm x 32mm x 32mm
°C
180°C
200°C
225°C 250°C
300°C
350°C
400°C
Pino
157
14.3
11.8
8.7
6.0
2.3
1.4
0.5
Roble
157
20.0
13.3
8.1
4.7
1.6
1.2
0.5
Madera roja
157
28.5
18.5
10.4
6.0
1.9
0.8
0.3
Fuente NFPA Fire Protection Handbook, 18th ed., pp. 4-29.
Tabla 2.1: Tiempo y temperaturas necesarias para ignición de maderas.
Así el comportamiento de las maderas es similar, mientras mayor sea la temperatura
involucrada menor será el tiempo en que las maderas entren en ignición.
También se tiene características de algunos materiales combustibles en la tabla 2.2,
de igual forma se consideran las temperaturas para que dichos materiales entren en
ignición.
Ahora si tenemos como materiales combustibles, a los líquidos combustibles, su
análisis se basa en el punto de inflamación (38°C) que es la temperatura del líquido
combustible a partir del cual éste comienza a emitir vapores, es decir sin vapor no
hay inflamación. Cuanto más temperatura más vapor.
Los líquidos combustibles se clasifican según su punto de inflamación:
73
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
a)
Líquidos inflamables: Es el líquido cuyo punto de inflamación es inferior a 38
ºC.
b) Líquido combustible: Es el líquido cuyo punto de inflamación es superior a
38ºC.
Para que exista ignición la concentración de vapor combustible- aire tienen que estar
entre el limite Inferior de Inflamabilidad y límite Superior de Inflamabilidad.
Límite Inferior de Inflamabilidad: Se define como el porcentaje de concentración
de vapor en aire, a partir del cual con una mínima fuente de calor comienza a arder la
mezcla vapor-aire.
Límite Superior de Inflamabilidad: Es la concentración en volumen de vapor en
aire a partir de la cual la mezcla de vapor-aire no arde, al aproximar un foco de calor
o llama.
Material
Solidos
Polyetileno
Polystireno
Polyuretano (flexible)
PVC
Madera suave
Madera dura
Polvos (nubes)
Aluminio
Carbon
Grano
Liquidos
Acetona
Benzina
Ethanol
Gasolina (100 octanos)
Kerosene
Methanol
Metil etil cetona
Tolueno
Gases
Acetileno
Metano
Gas Natural
Propano
Temperatura de Ignicion
°F
°C
Energia Radiante
Minima
Flux
(kW/m2)
Energia
Requerida
(kJ/m2)
Energia Minima de
Ignición
(mJ)
910
1063
852-1074
945
608-660
595-740
488
573
456-579
507
320-350
313-393
19
29
16-30
21
—
—
1500-5100
1300-6400
150-770
3320
—
—
—
—
—
—
—
—
1130
1346
805
610
730
430
—
—
—
—
—
—
10
100
30
869
928
685
853
410
867
759
896
465
498
363
456
210
464
404
480
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
1.15
0.22
—
—
—
0.14
0.53
2.5
581
999
900-1170
842
305
537
482-632
450
—
—
—
—
—
—
—
—
0.02
0.28
0.30
0.25
Tabla 2.2: Propiedades de ignición de materiales.
74
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Para analizar los líquidos combustibles debemos conocer los lugares y atmósferas
con el tipo de material, con lo que podemos tener:
Lugares Case I: con aquellos lugares en los que hay o puede haber presentes en el
aire gases o vapores inflamables en cantidad suficiente para producir mezclas
explosivas o inflamables.
Lugares Clase II: son aquellos lugares en los que hay presencia de polvos
combustibles en el aire en cantidad suficiente para producir mezclas explosivas.
Lugares Clase III: son aquellos lugares en los que hay presencia de fibras o
partículas fácilmente combustibles en el aire, pero que no es probable que estén en
suspensión en el aire en cantidad suficiente para producir mezclas combustibles.
Líquidos Inflamables (Puntos de Inflamación < 38°C)
Punto de
Punto de
Clase
Inflamación
ebullición Observaciones
IA
< 23°C
< 38°C
En zonas geograficas que pueden
IB
< 23°C
> 38°C
alcanzar los 38°C, basta un calentamiento
> 23°C < 38°C
IC
moderado para que el liquido alcance
su punto de inflamación
Tabla 2.3: Líquidos Inflamables.
Líquidos Combustibles (Puntos de Inflamación > 38°C)
Punto de
Clase
Inflamación Observaciones
II
≥ 38°C < 60°C
IIIA
≥ 60°C < 93°C Requieren para su ignición una considerable
IIIB
≥ 93°C
aportación de calor de una fuente distinta del ambiente
Tabla 2.4: Líquidos combustibles.
Clasificación Clase I:
1. Grupo A: son atmósferas con Acetileno
2. Grupo B: atmosferas que contienen hidrogeno, o combustibles con gases con
30% o más de contenido de hidrogeno por volumen (como oxido de
propileno, oxido de etileno)
75
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
3. Grupo C: se trata de gases inflamables o vapores producidos por un liquido
inflamable como éter etílico, etileno u otros gases de peligrosidad similar
4. Grupo D: son vapores producidos por un líquido inflamable o un gas
inflamable como acetona, butano, benceno, gasolina, metanol, etanol,
propano, gas natural, nafta o gases de peligrosidad equivalente.
Clasificación Clase II:
1. Grupo E: son atmosferas que contienen polvo metálico combustible como
magnesio, aluminio y sus aleaciones comerciales.
2. Grupo F: lo conforman atmosferas que contienen polvo de carbón con
material volátil atrapado en un porcentaje mayor al 8% del volumen, como
coque o carbón vegetal.
3. Grupo G: se trata de gases inflamables o vapores producidos por un liquido
inflamable como éter etílico, etileno u otros gases de peligrosidad similar
4. Grupo D: este grupo reúne aquellos polvos combustibles no considerados en
los grupos E y F como harina de trigo, polvo de madera, plástico u otros
químicos.
2.3.1.5 Temperatura generada por la sobrecarga
La temperatura en una sobrecarga puede verse influenciada por la capacidad de
corriente que puedan tener los conductores eléctricos. La capacidad de un conductor
es la corriente en amperios que un conductor puede llevar continuamente en las
condiciones de empleo sin exceder su temperatura de calificación. Y ―La temperatura
de calificación de aislamiento es la temperatura máxima en cualquier lugar a lo largo
de su longitud que el conductor puede resistir durante un período prolongado de
tiempo sin grave degradación1‖.
Esto depende de la temperatura ambiente en que el conducto opera, así como otros
factores, como por ejemplo, si el conductor se encuentra en conductos con otros
1
NFPA 921- Guide for Fire and Explosion Investigations, Edición 2001, NFPA Publications, USA,
Febrero 9 del 2001
76
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
conductores llevando la corriente similar, solos, o en aire libre, y así sucesivamente.
Por ejemplo, la capacidad de un conductor de cobre N º 8 AWG con aislamiento TW
(termoplástico resistente a la humedad) es 40 amperios. Esta calificación se basa en
una temperatura ambiente de 86 ° F (30 ° C) y que está instalado en un conducto o
canal de aire libre que contengan no más de tres conductores. Los cambios; como
más conductores en un conducto, el aumento de la temperatura ambiente, o el
aislamiento de todo el conducto, impide que el calor se disipe, por lo tanto el calor se
confinará y se reducirá la capacidad del conductor. Este mismo tamaño de conductor
está valorada en 50 amperios con aislamiento THWN (termoplástico para humedad y
resistentes al calor), el aislamiento THWN tiene una temperatura de calificación de
167 ° F (75 °C) en comparación con los 140 ° F (60°C) para el aislamiento TW.
Por lo que podemos anotar que incide en la temperatura de sobrecarga ―Los valores
de capacidad de un conductor que a su vez depende del calentamiento del conductor
causada por la corriente eléctrica (
), la temperatura ambiente a la cual el
conductor está en funcionamiento, la temperatura de la calificación de aislamiento, y
la cantidad de calor disipado de los conductores a los alrededores‖.
2.3.1.6 Posibles casos para que una sobrecarga sea fuente de ignición
De todo lo analizado anteriormente podemos citar algunos casos en donde podría la
sobrecarga ser fuente de ignición. Primeramente tendríamos una instalación eléctrica
con protecciones deficientes o sin ellas, luego que los conductores eléctricos estén al
aire libre (no en ductos) y en una atmósfera inflamable, como puede ser un
almacenamiento de tanques de combustibles y que estos tengan una concentración
vapor–aire inflamable, es decir los combustibles estén evaporándose, ya que el
recinto de almacenamiento es muy cerrado y concentra una alta temperatura. Ahora
supongamos que en la instalación se conectaron más cargas eléctricas, como más
focos, mas aparatos eléctricos conectados a los tomacorrientes y que estos están
permanentemente demandando corriente de la instalación, por lo tanto generando una
sobrecarga, ya que la instalación, no se diseñó para un aumento de más receptores.
Con la sobrecarga, la temperatura de los conductores a la intemperie irá en aumento,
muy posiblemente acercándose al punto de inflamación de los combustibles (38°C),
77
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
conforme pasa el tiempo hasta que la temperatura llegue a la de ignición y se
produzca la misma.
2.3.2
Cortocircuitos
Al igual que la sobrecarga, un cortocircuito es un aumento de la corriente, pero este
aumento es mucho mayor, en el orden de miles de veces con respecto a la
sobrecarga, y se presenta en un lapso de tiempo muy corto, siempre y cuando el
sistema de protección lo detecta. El cortocircuito se presenta como causa de ignición
por ofrecer grandes cantidades de energía contenidas en el instante de fallo, a
diferencia de la sobrecarga, la temperatura inicial del cortocircuito es muy alta, por lo
que fácilmente se podría suponer que encendería materiales combustibles en las
proximidades del defecto.
2.3.2.1 Definición
Fenómeno eléctrico ocasionado por una unión accidental o intencional de muy baja
resistencia entre dos o más puntos de diferente potencial de un mismo circuito. Este
fenómeno genera una corriente de gran magnitud en un periodo de tiempo muy corto
denominado sobrecorriente.
2.3.2.2 Características
Durante un cortocircuito, la corriente toma la trayectoria más corta: por esta razón se
llama corto circuito. Desde entonces no hay impedancia (resistencia) de carga,
únicamente la impedancia del sistema total de distribución, es la generada por la
empresa de energía y la falla será una corriente casi ilimitada.
Por ejemplo, algunos sistemas eléctricos tienen 0,005 ohmios o menos de impedancia
por fase, y para un sistema de 220 voltios tendríamos que la corriente de
cortocircuito seria de 44000 amperios (
, 220/0,005=44000A) como vemos el
valor de la corriente es extremadamente alta, por lo tanto debe ser limitado lo más
rápido posible.
78
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
2.3.2.3 Efectos de las corrientes de cortocircuito
Si no se limita rápidamente las corrientes de cortocircuito, se producen tres tipos de
efectos sobre el sistema eléctrico. Estos son:
efecto de calentamiento,
efectos magnéticos y
efectos de arco.
2.3.2.4 Efectos de calentamiento
El paso de corriente atreves del sistema eléctrico genera calor a cada uno de los
componentes del sistema. Cuando se presenta una sobre corriente hay una gran
cantidad de calor en un periodo de tiempo muy corto. La energía que se presenta en
una sobre corriente es medida en amperios-segundo al cuadrado (i2t). Por ejemplo
una sobrecorriente de 10000 amperios en un periodo de 0.01 segundo, tienen una
energía de 1000.000 i2t. Si la corriente puede reducirse a 1000 amperios, para el
mismo ejemplo, en 0.01 segundo, la energía será de 10.000 i2t- solamente el uno por
ciento del valor original. Si la corriente de un conductor se incrementa diez veces, el
incremento del i2t será de cien veces. Una corriente de solo 7.500 amperios puede
derretir un conductor no.8 tipo awg de cobre, en tan solo 0.1 segundo. Dentro de 8
milisegundos (0.08sg o medio ciclo) una corriente de 6.500 amperios puede elevar la
temperatura de un conductor no.12 tipo awg con aislamiento en termoplástico con
una temperatura de operación de 75 °C a 150 °C con una corriente de corto circuito
máxima. Una elevada corriente puede inmediatamente vaporizar el aislamiento del
componente, generar arcos en el punto de falla o en el punto de operación mecánica.
Este efecto, por lo general es el que más impacto podría tener para generar una
ignición, ya que como podemos ver la energía es grande y la temperatura también, en
tan solo instantes de segundo
2.3.2.5 Efectos magnéticos
El efecto magnético o fuerzas magnéticas causadas por sobrecorrientes de
cortocircuito, son una relación del pico de corriente al cuadrado. Corrientes de
79
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
100.000 amperios pueden provocar fuerzas de más de 7.000 libras por pie, en el
sistema de energía eléctrico. Estos excesos pueden romper el aislamiento, tensionar o
halar los conductores o sus terminales, terminales del equipo causando daños a las
instalaciones físicas.
2.3.2.6 Efectos de arco
El cortocircuito se manifiesta visiblemente en forma de arco eléctrico, en el punto de
falla derrite y vaporiza los conductores y los componentes involucrados en el
cortocircuito. El arco siempre quema a través de los conductores y equipos
encerrados en el área. Adicionalmente el cortocircuito siempre crea material
vaporizado el cual se deposita en otras superficies pudiendo explotar o quemarse.
2.3.2.7 Corrientes de cortocircuito
Los efectos de las corrientes de cortocircuitos son muy variados, pero los más
importantes son el debido al efecto Joule (calentamiento de los equipos eléctricos
debido a la gran circulación de corriente), esfuerzos electromecánicos en las
máquinas eléctricas y destrucción física del lugar de la falla cuando se producen
grandes arcos eléctricos. De los efectos de las fallas por cortocircuito, el más notorio
es la interrupción del suministro eléctrico debido a la necesaria apertura del circuito
eléctrico por parte de los dispositivos de protección para despejar la falla y evitar
mayores daños en el sistema.
2.3.2.8 Tipos de fallas por cortocircuitos
Se produce un cortocircuito, cuando entran en contacto, entre sí o con tierra,
conductores energizados correspondientes a distintas fases. Normalmente las
corrientes de cortocircuito son muy elevadas, entre 5 y 20 veces el valor máximo de
la corriente de carga en el punto de falla. Los cortocircuitos se pueden clasificar en
simétricas (balanceadas) y asimétricas (desbalanceadas).
En las fallas simétricas la corriente de las tres fases del sistema son iguales en el
instante del cortocircuito. Entre ellas tenemos:
80
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Cortocircuito trifásico: Se ponen en contacto las tres fases en un mismo punto del
sistema. Es el cortocircuito más severo en la mayoría de los casos.
Cortocircuito trifásico a tierra: Se ponen en contacto las tres fases y tierra en un
mismo punto del sistema.
En las fallas asimétricas las corrientes en las tres fases del sistema no son iguales en
el instante del cortocircuito. Entre ellas tenemos:
Cortocircuito bifásico (fase a fase): Entran en contacto dos fases cualesquiera del
sistema.
Cortocircuito bifásico a tierra (dos fases a tierra): Entran en contacto dos fases
cualquiera y la tierra del sistema.
Cortocircuito monofásico (fase a tierra): Ocurre al ponerse en contacto una fase
cualquiera con la tierra del sistema. Es el cortocircuito más frecuente.
FIG 28: Corrientes de cortocircuito.
2.3.2.9 Condiciones para que un cortocircuito sea fuente de ignición
Para el análisis del cortocircuito como fuente de ignición, nos basaremos en la
información hasta ahora expuesta. En la gráfica Nro. 25 de Protección contra
Sobreintensidades podemos ver que en caso de cortocircuitos, la protección actuará
inmediatamente en caso de sobrecorrientes elevadas. Esto de forma ideal, pero a
veces no actúa la protección en casos de cortocircuitos, siendo la primera condición
de riesgo de ignición, dejando al cortocircuito su libre desarrollo y sin detenerlo.
2.3.2.10
Falla de actuación del sistema de protección
Cuando se diseña instalaciones eléctricas se tiene que considerar los sistemas de
protección en primera instancia, ya que estos nos precautelaran de posibles riesgos,
en este caso el de ignición. Al proyectar las protecciones eléctricas se debe
considerar las fallas por cortocircuitos, que va a estar limitada por la Ley de Ohm
81
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
, donde I es la corriente de cortocircuito, R es la resistencia que ofrece los
conductores al paso de esta corriente y V el voltaje en el momento de fallo.
Lo que muchas veces no se considera es que la resistencia eléctrica depende de su
resistividad ( ), de la sección(S) y de la longitud ( ) del conductor. Siendo el factor
que más influye en el cortocircuito la resistencia o impedancia del conductor.
Cuando se produce un cortocircuito la protección debe actuar, abriendo el circuito e
impidiendo la circulación de corriente, pero a veces esto no sucede, por ejemplo si el
cortocircuito es muy alejado (una gran distancia
de donde está colocada la
protección, por lo que existe una gran resistencia R, lo que esto significa una baja
corriente y por tanto aceptable para la protección por ejemplo en el punto A, pero la
corriente es elevada en el punto B. Es decir la corriente que detecta la protección es
normal y no un cortocircuito, por lo tanto nunca actuará.
FIG 29: Corrientes de cortocircuito en puntos A y B.
Ahora si suponemos que en el gráfico anterior la carga es un motor y que se produce
un cortocircuito fase-tierra en los conductores en el punto B y no detecta la
protección, estos conductores si no están protegidos dentro de tubería y que están por
ejemplo bajo almacenamiento de plásticos, es muy posible, que estos se enciendan y
se inicie su combustión.
82
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
2.4 EL ARCO ELÉCTRICO
2.4.1
Características de los Arcos eléctricos.
Como fenómeno físico, es uno de los factores que intervienen en la formación de
fuentes generadoras y suministradoras de energía térmica, que se puede producir en
la atmósfera confinada en presencia de conexiones, cuadros, cajas de conexiones y
derivaciones, etc. o en los mismos conductores eléctricos.
Las superficies de contacto del arco son los electrodos (ánodo y cátodo) y que
Consiste en el salto de electrones del cátodo (polo positivo) del circuito inductivo al
ánodo (polo negativo) cuando estos se encuentren separados, provocando el
calentamiento del cátodo, ya que la base del arco se convierte en una fuente de
emisión termo-iónica.
Son estos electrones pioneros los que nos van a ionizar la atmosfera en los que tenga
lugar, con la formación consiguiente del plasma, agente este conductor de la
electricidad, por lo que la distancia de descarga se aumentara considerablemente. En
la atmosfera en el que tiene lugar este salto de electrones, se nos va a ionizar debido:
A la presencia de electrones libres
A la creación de iones positivos que se desplazan hacia el cátodo y mantienen su
calentamiento
A la creación de iones negativos que bombardeando el ánodo, provocan también
su calentamiento.
Estos arcos eléctricos, aparte de generarse en las conexiones flojas o deficientes,
también tienen lugar al abrir y cerrar los interruptores, al conectar y desconectar
tomacorrientes, etc.
FIG 30: Arco eléctrico
83
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Si las moléculas de aire se disocian, el mismo queda ionizado (habrá electrones
libres) y se volverá conductor. A mayor temperatura ambiente, mayor ionización
(más choques entre iones) y por tanto más conductor se volverá el aire.
La corriente que circula por el arco eléctrico es equivalente a la de un cortocircuito y
la temperatura que se suele alcanzar ronda los 3.000ºC (superior a las temperaturas
de fusión del cobre: 1083ºC y del aluminio: 650ºC). El arco eléctrico es explosivo
(sonoro) ya que ocurre de forma súbita. El 40% de su energía se convierte en
irradiación de calor, por lo que suele producir quemaduras y por tanto podría ser una
fuente de ignición
El arco eléctrico tiene tendencia a desplazarse: el gas ionizado al calentarse se
expande y si llega un momento en que no puede expandirse más (por estar
confinado) se acabará creando una sobrepresión que en ocasiones será suficiente
como para causar una explosión. El método más adecuado para detener un arco
eléctrico es enfriando ya que de esta forma se des-ioniza el aire.
2.4.2
Temperatura del arco
En el núcleo de la columna gaseosa incandescente del arco alcanza temperaturas muy
elevadas. La temperatura en la superficie de los electrodos es igualmente elevada, de
forma que ésta aparece incandescente. Se observan corrientemente en los arcos
temperaturas de 2.000
a 3.000
con electrodos metálicos y de 3.000
a 4.000
con electrodos de carbón. Sin embargo en puntos del núcleo se pueden alcanzar de
5.000
a 10.000 , según la intensidad de la corriente.
Se tiene que la temperatura máxima se alcanza en el centro o núcleo del arco.
Mientras que la temperatura disminuye a medida que nos alejamos de dicho centro,
lo cual queda reflejado en el siguiente gráfico (véase Fig. 31).
84
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
FIG 31: Gráfica de distribución de temperatura a lo largo de la sección de la columna gaseosa del arco.
Esto quiere decir que si tanto el ánodo y cátodo están más próximos generan más
energía calorífica, con altas temperaturas, por tal razón un cortocircuito se manifiesta
con un arco eléctrico, por estar ánodo y cátodo unidos y una alta concentración de
energía.
FIG 32: Reparto de la temperatura a lo largo del arco.
2.4.3
Potencia y energía del arco
La potencia absorbida por el arco es evidentemente igual al producto de la corriente
del arco i por la caída de tensión total del mismo,
y la energía absorbida por el
arco será la integral de este producto por dt extendida a todo el tiempo de duración
del arco, Ta:
85
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Esto significa que conforme pasa el tiempo la energía va aumentando y por lo tanto
el calor que se va generando con altas temperaturas también aumentará.
2.4.4
El arco eléctrico causa de ignición
Como se pudo ver las temperaturas dentro del arco son del orden de varios miles de
grados, según las circunstancias incluyendo, corriente, caída de voltaje, y el metal en
cuestión. Para que pueda saltar un arco en el aire espontáneamente debe haber una
diferencia de voltaje de al menos 350V. En los sistemas de 120/240 V, los arcos no
se forman espontáneamente en circunstancias normales. Esto quiere decir que para
que se produzca un arco eléctrico definitivamente debe existir una falla en el sistema,
como conexiones deficientes, cortocircuitos o fallas de aislamiento.
A pesar de las muy altas temperaturas en la trayectoria de un arco, los arcos no
pueden ser fuentes capaces de ignición para muchos combustibles. En la mayoría de
los casos, el arco es tan breve y localizado que los combustibles sólidos como
estructuras de madera no pueden inflamarse, ya que como se vio anteriormente la
madera necesita un gran tiempo y gran temperatura para entrar en ignición. Los gases
combustibles y vapores, pueden inflamarse al entrar en contacto con el arco, ya que
los combustibles entran en inflamabilidad en los 38°C.
2.4.5
Condiciones para que se produzca una ignición
Si la energía desarrollada por el arco no es disipada convenientemente, la
temperatura del medio se incrementará, y si se trata de un medio confinado se elevará
asimismo la presión en su interior, lo que puede dar lugar a la ignición de materiales
combustibles, e incluso a la explosión del recinto.
Vamos a poner el caso de un tablero eléctrico, en los tableros, los arcos eléctricos
pueden deberse a causas muy diversas, por ejemplo, la intrusión de pequeños
86
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
animales (ratas y hasta reptiles), la presencia de objetos olvidados en los trabajos de
mantenimiento, la degradación de los materiales por el calor, o incluso, los depósitos
de polvo conductor. Vamos a considerar en este caso que existe una conexión floja o
defectuosa dentro del tablero lo que genera un aumento considerable de temperatura
(por su alta resistencia) y con ello la descomposición progresiva de los polímeros
aislantes involucrados, por lo que podría desencadenar en el origen de la formación
de un arco defecto, inicialmente entre fases o entre fases y neutro para generar en un
defecto trifásico, o bien entre fase y masa en caso de conducciones metálicas, todo
esto por la pérdida de aislamiento, lo que degeneraría en un cortocircuito. Todo esto
desencadenara en la ignición de los materiales inflamables, en este caso los mismos
aislamientos, sumado a esto que están confinados dentro de un tablero, existirá la
presurización (sube la presión) del mismo, lo que aumentará la temperatura llegando
a causar una explosión, pero cabe recalcar aquí que para que se todo esto se deberá
suponer que ninguna de las protecciones eléctricas actuaron. Vemos que este es el
inicio de una combustión y para que esta sea completa se requiere material
combustible, supongamos por ejemplo que el tablero eléctrico estaba en las
proximidades de cortinas, lo que fácilmente alimentaria a la combustión y
desarrollaría un incendio.
Se puede producir una ignición también por un arco partido es decir la descarga que
se produce cuando se interrumpe el fluir de la energía eléctrica cuando está
circulando por su camino normal, como el apagar un interruptor o tirar un enchufe.
Supongamos por ejemplo que un interruptor en mal estado, está provocando chispas
en su interior al momento de manipularlo, y que en el lugar donde está instalado el
interruptor esta un líquido combustible en un recipiente sin tapar o mal tapado como
bencina, que es muy volátil, es decir fácilmente se hace vapor a temperatura
ambiente, entonces las chispas producidas por el interruptor puede entrar en contacto
con estos gases combustibles y se podrá inflamar.
Otro tipo de arcos partidos se produce cuando existe un cortocircuito directo o fallo
de tierra. El aumento de la corriente funde los metales en el punto de contacto y
causa un rápido arco partido entre las piezas de metal. El arco es apagado de
87
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
inmediato si actúan las protecciones, pero puede arrojar partículas de metal fundido
(chispas) en alrededor.
2.5 SOBRETENSIONES
2.5.1
Sobretensiones causa de ignición
Al igual que en las sobreintensidades la corriente es el factor decisivo que contiene la
energía y por lo tanto la capacidad calorífica para elevar la temperatura y ser causa
de ignición, en cambio en las sobretensiones la variable a considerar es el voltaje, de
igual forma incidiendo en la ecuación de energía y siendo una posible fuente de
ignición. Vemos que la energía siempre estará influenciada por el voltaje Ua, la
corriente i y el tiempo que inciden estas magnitudes.
2.5.2
Definiciones
Una sobretensión es una tensión superior a la nominal (127V o 220V), que puede ser
elevada; que aparece en la instalación, y que puede superar la tensión máxima
admisible tanto en cables como en receptores.
Existen dos tipos de sobretensiones, según su origen: las sobretensiones internas y las
atmosféricas
2.5.3
Sobretensiones Internas
Las sobretensiones internas son producidas principalmente por defectos de la red de
suministro de energía eléctrica, como sobretensiones de maniobra (manejo de
disyuntores en la conexión), también se tiene sobretensiones de servicio, las cuales se
dan en la puesta en servicio o fuera de servicio de una carga, es decir cuando la
instalación se queda sin energía y cuando vuelve viene con sobretensiones.
88
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Puesto que las sobretensiones internas son controladas por la empresa suministradora
de energía eléctrica, se estudiara las sobretensiones de origen atmosférico como una
posible causa de ignición de mayor riesgo, solo se tratara el caso de las
sobretensiones permanentes en donde se da la desconexión del neutro de la red.
2.5.4
Sobretensiones permanentes
Una sobretensión permanente se produce cuando el valor eficaz de la tensión es
superior al 110 % del valor nominal, manteniéndose durante varios períodos de
tiempo o permanentemente.
Se produce debido a defectos en los centros de transformación o por corte del
conductor neutro, en las redes BT (baja tensión). En la figura 33 puede verse que tras
la rotura del neutro las cargas Z1 y Z2 quedan en serie ante una tensión de línea de
400 V como suposición. La tensión se repartirá en función de los valores de dichas
impedancias. En el ejemplo, suponiendo las cargas resistivas, la Z2 queda con
333,3V, frente a los 230V para los que está diseñada. (Ver fig. 33)
Estas sobretensiones permanentes pueden conllevar la reducción de la vida útil del
receptor o su destrucción, así como la disminución de la seguridad de los usuarios.
Vale anotar que los aislamientos de receptores y conductores por lo general están
diseñados para soportar sobretensiones de hasta 600V, pero con sobretensiones
permanentes (largo tiempo) sus aislamientos se van deteriorando, a esto sumado el
pasar de los años, las condiciones climáticas (temperatura, polvo) y que estos
mismos aislamientos hayan estados sujetos a sobrecargas, es posible que no ofrezcan
el aislamiento adecuado de la corriente y por lo tanto provocar fallas de aislación con
la consecuente fugas de corrientes, estas fugas pueden ser muy peligrosas si no se
detectan a tiempo y si se presenta un material inflamable como el acetileno podría ser
causa de ignición y provocar un incendio. Esto se debe tener presente sobre todo en
almacenamientos o bodegas de material inflamable.
89
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
FIG 33: Sobretensión permanente debido a la rotura del neutro.
2.5.5
Sobretensiones atmosféricas
Es la descarga directa llamada rayo la que se produce en una tormenta entre nube y
nube o entre nube y tierra. El rayo tiene la particularidad que no solo tiene un alto
contenido de voltaje (algunos miles de voltios) sino también una elevada corriente
(miles de amperios) logrando así contener una enorme cantidad de energía y ser el
rayo una fuente para causar una ignición y degenerar un incendio.
La descarga de un rayo sobre cualquier cable conductor provoca sobretensiones
transitorias en el conductor que se caracterizan por su corta duración, crecimiento
rápido (el rayo normalizado tipo es de 1,2/50 μs, es decir, onda con tiempo de subida
hasta el valor de cresta de 1,2 μs y tiempo de bajada hasta el 50 % del valor de cresta
de 50 μs) y valores de cresta muy elevados (hasta varias centenas de kV). Esto
quiere decir que en 1.2x
50x
segundos el nivel de voltaje es máximo y en
segundos es la mitad y conforme pasa el tiempo el voltaje disminuye
a - onda de tensión de rayo
90
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
FIG 34: Ondas de tensión de rayo
Esta descarga se propaga en un radio de varios kilómetros y su dispersión en la tierra
eleva su potencial, induciendo fuertes sobretensiones en los cables subterráneos y
aumentando la tensión en las tomas de tierra.
Si en 1.2x
segundos el nivel de voltaje es máximo, en 8x
segundos el nivel
de corriente es máximo, lo que demuestra que tanto el voltaje como la corriente
tienen sus niveles máximos en corto tiempo. Ahora lo importante es ver qué
consecuencias tendría en esos instantes el rayo, pero antes veamos cómo llegan las
sobretensiones atmosféricas a las instalaciones.
FIG 35: Ondas de corriente de rayo con perforación de aislación o conducción de un pararrayos
Las sobretensiones producidas por fenómenos atmosféricos llegan hasta las
instalaciones de tres formas:
Sobretensión conducida: El rayo cae directamente sobre la línea aérea,
propagándose la sobretensión a lo largo de varios kilómetros. Ésta acaba llegando a
las instalaciones interiores de BT (baja tensión) y se deriva a tierra a través de los
receptores, provocando averías o su total destrucción.
91
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Sobretensión inducida: La radiación emitida por el impacto del rayo sobre un objeto
(poste, árbol, pararrayos, etc.) próximo a las líneas eléctricas, induce tensiones
transitorias en éstas, transmitiéndose a las instalaciones interiores.
Aumento del potencial de tierra: Cuando un rayo cae a tierra o a una estructura
conectada a tierra, la corriente de descarga del rayo que circula por el terreno puede
elevar el potencial del terreno varios miles de voltios.
2.5.6
Acoplamiento por impedancia común
Normalmente, un conductor eléctrico recorrido por una corriente anormal (de
defecto) genera entre sus extremos una diferencia de tensión que puede ser
perturbadora: es el acoplamiento por impedancia común.
Fijémonos un ejemplo relacionado con la instalación de un pararrayos. Supongamos
que las estructuras del suelo, en parte metálicas, estén conectadas a la bajada del
pararrayos (figura 36):
FIG 36: Tensión «de modo común» generada entre dos plantas por una corriente de rayo de 50 kA.
Con:
L = 0,5 mH/m (conductor plano)
Î = 50 kA
El DV (diferencia de potencial) entre plantas, será:
92
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Una de las soluciones consiste en multiplicar los conductores de bajada y separarlos
de todo circuito eléctrico, tendiendo a conseguir una caja de Faraday (conexión de
Pararrayos).
Hay que destacar que para atenuar la penetración en el edificio de las ondas EM
(electromagnéticas) de rayo resultantes de la descarga de rayo próxima, es necesario
que la distancia entre los conductores que constituyen la caja sea inferior a la décima
parte de la longitud de onda con un tm = 1 ms:
2.5.7
Condiciones para una Ignición
Como se señaló anteriormente la caída de un rayo establece un gran voltaje y una alta
corriente en 1,2μs y 8μs respectivamente y lo que se planteaba era ver qué
consecuencias tendría en esos instantes el rayo.
El caso planteado anteriormente en donde se dispone de un pararrayos con
conexiones equipotenciales del edificio (conexiones entre la estructura metálica del
edificio y las bajantes del pararrayos) con una corriente de rayo de 50kA, se genera
una tensión de defecto de 9kV. Las consecuencias como peligro de ignición como
tal son mínimas, pero si añadimos condiciones remotas pero que podrían darse,
entonces la ignición es una posibilidad.
Por ejemplo supongamos que la conexión a tierra está sujeta con una conexión
deficiente (floja) y que al lado de la conexión a tierra está almacenado recipientes
con gasolina o kerosene, es probable que por la conexión defectuosa se produzca un
arco hacia los recipientes en el momento que se descarga el rayo, además para que
exista este arco la resistencia de la puesta a tierra debía haber sido muy alta como
para que la corriente de defecto no tomara ese camino y más bien tomara el camino
del arco. Este ejemplo se cita porque suele suceder que las inmediaciones de la
93
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
conexión a tierra de una bajante de pararrayos se han encontrado paredes
ennegrecidas, provocadas precisamente por la descarga de un rayo y la oposición que
este tuvo para descargarse en la tierra, ya que tuvo una alta resistencia de tierra o la
conexión estuvo defectuosa.
2.5.8
Acoplamiento Inductivo en Pararrayos
Supongamos que un edificio esté equipado con un pararrayos y que tenga una línea
de señal de unos 5 m instalados a unos 50 cm de distancia del cable de descenso del
pararrayos (figura 37).
La superficie del bucle (defecto) del cable de señal, será:
S = L x L’ = 5 x 0,005 = 0,025 m2: siendo:
L: longitud de cable,
L’: separación entre los dos conductores de la línea de señal.
FIG 37: El acoplamiento inductivo crea tensiones en modo diferencial en las líneas de señal
De donde:
Sea con di 50kA y dt
94
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Esta tensión impulsional es mayor a la tensión útil (algunos voltios), interfiere en
dicha línea e incluso llega a dañar los aparatos electrónicos de comunicaciones, pero
como tal; es muy pequeña como para causar una ignición.
La solución es evitar los recorridos comunes y próximos entre los circuitos con gran
di/dt (de potencia) y los circuitos de distribución de señal... y utilizar pares trenzados
para la transmisión de información. Estos acoplamientos se deben sobre todo al
modo de estar hechas las instalaciones.
2.5.9
Condiciones para una Ignición
En este caso existe una inducción de 60V en el conductor de señal (tv cable)
localizado a 50cm de distancia del conductor de bajante de pararrayos, esto podría
ocasionar distorsión de la señal y daños en los equipos de comunicación, por ser un
nivel de tensión alto para los mismos en ese instante. Pero para causar una ignición
por esa inducción de voltaje y en 1,2μs es improbable.
De igual forma esa inducción de voltaje podría afectar a elementos metálicos de la
estructura del edifico, por ejemplo una ventana, pero como esta no tiene una
referencia a tierra, es decir no genera una diferencia de potencial, entonces no sería
peligroso, salvo que la ventana esté conectada por un medio conductor hacia
materiales combustible de fácil ignición como líquidos combustibles. Es decir
mediante un conductor conectar la ventana hacia un tanque de gasolina y esperar que
caiga un rayo y se induzca una tensión en la ventana para que así se genere una
ignición.
2.6 ELECTRICIDAD ESTÁTICA
La electricidad estática es una probable causa de ignición por presentar la
característica de acumular cargas eléctricas en determinados materiales. Estas cargas
presentan un riesgo potencial ya que la energía almacenada puede ser lo
suficientemente alta y si la distancia entre los cuerpos a descargarse dichas cargas en
forma de energía es lo suficientemente pequeña, la energía almacenada se libera,
produciendo un arco. La energía almacenada y que luego es liberada por el arco está
95
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
relacionada con la capacitancia (C) del cuerpo cargado y el voltaje (V) de acuerdo
con la siguiente fórmula:
Es decir si el cuerpo tiene la suficiente carga almacenada y existe una gran diferencia
de potencial, es posible que la energía almacenada se libere. Ya que la capacitancia
no es más que la cantidad de carga contenida dentro de una diferencia de potencial,
tenemos:
Existe el riesgo de ignición sobre todo en atmósferas inflamables y el tratamiento de
combustibles inflamables, por tal razón el estudio se enfocara en esos campos.
2.6.1
Definición de electricidad estática.
Cuando una carga eléctrica está presente en la superficie de un cuerpo conductor o
no conductor (aislante), donde es atrapado o impedido de escapar, se llama
electricidad estática. Entonces, el cuerpo se dice que está cargado. La carga puede ser
positiva (+) o negativa (-)
La electricidad estática constituye un desequilibrio transitorio en la distribución de
cargas por transferencia entre la superficie de dos elementos o medios
suficientemente próximos, con la creación de un campo eléctrico y una diferencia de
potencial que pueden alcanzar valores muy elevados. Es decir si un cuerpo almacena
cargas eléctricas y entra en las cercanías de otro cuerpo que puede estar cargado o no
pero de diferente forma, entonces existirá un campo eléctrico y una diferencia de
potencial entre los cuerpos.
Cuando dos elementos con carga de igual valor y signo contrario se encuentran
separados por un medio aislante, entre los que se encuentra el aire, puede
establecerse, de existir una vía conductora, una descarga disruptiva con liberación de
energía. Tales descargas también se producen entre un cuerpo cargado eléctricamente
(aislante no conductor) y otro cuerpo próximo exento de cargas pero conectado
96
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
eléctricamente a tierra (conductor no aislante). Al disminuir la distancia, también
resulta menor la tensión precisa para que se opere la descarga disruptiva. La energía
liberada al producirse la chispa es el parámetro determinante en la peligrosidad de la
chispa.
2.6.2
Transferencia de cargas entre líquidos y sólidos
Si un líquido que está cargado eléctricamente es vertido, bombeado, o transferido por
una tubería dentro de un tanque o un contenedor, la unidad de cargas de similar
polaridad en el líquido serán repelidas a las superficies exteriores del líquido,
incluyendo no sólo las superficies en contacto con paredes del contenedor, sino
también la parte superior de la superficie adyacente al aire. Es esta última carga, a
menudo llamada carga superficial, la de mayor preocupación en muchas situaciones.
En la mayoría de los casos, el recipiente es de metal y por tanto, conductores de
electricidad. . (Ver fig. 38).
Si la diferencia de potencial eléctrico entre cualquier parte de la superficie del líquido
y el depósito metálico llega a ser lo suficientemente alta, el aire encima del líquido
puede llegar a ser ionizados y un arco podría descargarse en el recipiente.
FIG 38: Transferencia de cargas entre líquidos y sólidos. Según la teoría de la "doble capa", la segunda capa está indicada con
signos + en la superficie interna del tubo
2.6.3
Generación y acumulación de electricidad
Por lo general la electricidad estática en líquidos inflamables se genera en la
actividad de almacenaje, carga y descarga de los mismos. Ya que los líquidos
inflamables tienen un contenido de carga y al circular por tuberías, tanques y filtros,
la carga del líquido puede transferirse a los mismos.
97
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
FIG 39: Generación de cargas en líquidos
Se puede generar electricidad estática por el movimiento del líquido a través de los
filtros de malla (bridas con filtro), ya que el líquido choca con esta malla,
produciéndose transferencia de cargas, debiendo precisarse que con tamaños de
orificio mayor de 300 micras existe poca probabilidad de que se generen situaciones
peligrosas. Sin embargo, cuando el orificio de malla disminuye, la generación de
cargas podría acercarse, en ciertas circunstancias, a niveles considerables de riesgo.
Tamaños de poro por debajo de las 150 µm puede entrañar peligrosidad,
especialmente si se encuentran obturados, debiendo recurrirse al intervalo de
disipación de cargas, al tiempo que se procede a la limpieza o sustitución de filtros
cuando la presión llega a ser excesiva.
2.6.4
Condiciones para la ignición por electricidad estática
Para que una carga electrostática pueda constituir una fuente de ignición, deben
concurrir las condiciones siguientes:
Existencia de elementos generadores de cargas electrostáticas.
Acumulación suficiente de cargas electrostáticas como para generar chispas.
Presencia de una mezcla inflamable susceptible de ignición.
2.6.5
Peligro creado por una descarga electrostática
Una descarga electrostática es capaz de causar una ignición, siempre y cuando la
energía liberada sea mayor que la energía mínima de ignición de la mezcla
combustible presente en ese momento. (Ver tabla 2.5).
98
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Sustancia
Ea (mJ)
Disulfuro de carbono
Hidrógeno
Acetileno
Etileno
Metanol
Ciclopropano
Ciclohexano
N-eptano
Propano
Metano
Alcohol Isopropílico
Acetona
Iso-octano
Acetato de etilo
9 E-3
11 E-3
17 E-3
7 E-2
14 E-2
18 E-2
22 E-2
24 E-2
25 E-2
29 E-2
65 E-2
1.15
1.35
1.42
Tabla 2.5: Energía mínima de ignición en el aire de productos de uso más frecuente
A su vez, para que una mezcla gas/aire o vapor/aire se inflame, no sólo la relación de
la concentración del material inflamable frente a la concentración de aire (oxígeno)
debe encontrarse dentro de los límites de inflamabilidad, sino que sólo será
susceptible de ignición si la temperatura del líquido del que emana supera el punto de
inflamación (38°C).
En general, la probabilidad de que se den simultáneamente una atmósfera explosiva y
una descarga con liberación suficiente de energía como para causar una ignición, es
relativamente baja. Por ello, no resulta raro constatar la existencia de operaciones
con riesgo de cargas electrostáticas que llevan realizándose indefinidamente sin que
hayan surgido incidentes.
2.6.6
Influencia de la capacitancia para la estática
Como se señaló anteriormente la energía estática acumulada depende de la cantidad
de carga almacenada y que esta dependía de su capacitancia, como:
Donde Q es la carga almacenada y V la diferencia de potencial, es decir si aumenta la
capacitancia aumentara la energía contenida y por ende el riesgo de ignición, de igual
99
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
forma podemos decir del voltaje, teniendo así algunos valores de capacitancia para
algunos ítems (tabla 2.6).
Item
Capacitancia (pF)
Tanquero
Automóvil
Persona
Aceite/barril de solvente
Cuchara de metal
Aguja
Partícula de polvo
1000
500
100 a 300
10 a 100
10 a 20
1
10 E-7
Tabla 2.6: Ejemplos de capacitancia
2.6.7
Influencia del voltaje para la estática
Como se mencionó anteriormente la electricidad estática es energía almacenada, que
cuando se presenta la descarga esta se manifiesta como un arco eléctrico, entonces la
capacidad que tiene el arco para producir la ignición se rige en gran parte a su
energía y la energía mínima de ignición de los combustibles expuestos.
Realizadas algunas pruebas en laboratorio se ha comprobado que la energía liberada
en un arco producido por electricidad estática, corresponde una fracción a energía
estática y el resto de energía total almacenada podría ser disipada en forma de calor
en los electrodos de prueba, que en este caso seria los materiales involucrados
cargados estáticamente. Con electrodos planos, es decir materiales con superficies
planas, el voltaje mínimo para que el arco pueda saltar a una distancia de (0,01 mm)
es de 350 V. Para una distancia más ancha se requieren proporcionalmente mayores
tensiones, por ejemplo, 1 mm requiere aproximadamente 4500 V.
Se ha demostrado en la práctica y la prueba experimental que, a causa de la pérdida
de calor en los electrodos, los arcos eléctricos derivados de posibles diferencias de
potencial de por lo menos 1500 V están obligados a ser inflamables.
Los polvos y fibras requieren una descarga de energía de 10 a 100 veces mayor que
los gases y vapores para la ignición por arco de óptimas mezclas con el aire. Véase
las energías de ignición de la tabla 2.2
100
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
2.6.8
Tipos de descargas estáticas
La liberación de energía durante la descarga depende, entre otras causas, del tipo de
descarga, existen tres tipos de descargas:
La descarga tipo "corona" o de "punta", llamada así por formarse alrededor del punto
conductor, es la menos peligrosa, ya que se inicia cuando el punto del que emana la
descarga está todavía a considerable distancia de la superficie o nube cargada
(conductora o no) susceptible de ignición, con lo que la energía instantánea liberada
es bastante baja. Además el radio de curvatura donde se confina la carga es menor a
1mm
FIG 40: Descarga tipo corona. Radio de curvatura
1mm.
En la descarga tipo "chispa", la descarga necesaria que posibilita una fuente potencial
de ignición, formando puente en el espacio vacío entre los conductores (caso de dos
esferas conductoras grandes próximas, radio mayor a 5cm), libera prácticamente toda
la energía almacenada.
FIG 41: Descarga tipo chispa. Radio de curvatura
5cm.
Finalmente, la energía liberada en las descargas tipo "brocha" entre un conductor y
una superficie cargada (conductora o no) o una nube, sin llegar a formar puente,
alcanza un valor intermedio entre las dos anteriores. Recibe este nombre, de la
apariencia (forma de brocha) que proporcionan varias descargas en sucesión rápida.
FIG 42: Descarga tipo corona. Radio de curvatura
101
0,5cm.
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
2.6.9
Capacidad de carga electrostática de los líquidos
La posibilidad de que se originen situaciones de riesgo en el trasvase de ciertos
líquidos está íntimamente ligada a su resistividad. Si la resistividad es alta; el
material es no conductor o aislante por lo tiene mayor facilidad a acumular
electricidad estática y ser un riesgo potencial, ahora si el material tiene poca
resistividad esto nos dice que el riesgo es menor por almacenar menos electricidad
estática.
FIG 43: Rango de resistividades de volumen y superficies
Liquidos
Resistividad (Ω.m)
Disulfuro de carbono
Tetracloruro de carbono
Aceites diesel, gasolina
Ciclohexano
Mestileno, dietiléter
Benceno, tolueno, xileno
1,4-dioxano
Anisol
Acido esteárico dibutil éster
Acido sebácico dibutil éster
Bromobenceno
Diclorometano
Cloroformo
Acido propiónico
10 E18
10 E15
10 E13
10 E12
10 E11
10 E10
10 E8
Tabla 2.7: Resistividad eléctrica de líquidos no conductores. En esta categoría se incluyen: hidrocarburos alifáticos y
aromáticos, éteres y ésteres de ácidos de alto peso molecular.
Existe una alta probabilidad de riesgo de ignición al tratar líquidos combustibles, si
no se tiene medidas de seguridad en el llenado, vaciado, transportado y
almacenamiento de los mismos, por ejemplo: si los recipientes no están conectados a
102
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
tierra y contienen un liquido no conductor como el benceno o gasolina que tienen
una alta resistividad, lo que significaría que almacenan cargas estáticas y que estos
recipientes se mantengan almacenados por largo tiempo y no sean utilizados, es
posible que acumulen gran cantidad de energía estática, que puede ser liberada al
momento de ser destapados los recipientes, teniendo presente que el material que está
hecho influye en la acumulación de cargas, por ejemplo si es plástico el material se
comportara como aislante acumulando más carga y si es metálico este podría
comportarse como conductor pudiendo conducir, pero si no está conectado a tierra es
probable que acumule cargas.
Lquidos
Resistividad (Ω.m)
1,2-dicloroetano
Acido benzoico etil-éster
Metanol-etanol
Propano-n, butanol-n
Acido acético, etil-éster
Acido acético
Acetona, butanona
Cicloexanona
Isobutanol
Isopropanol, t-butanol
Acido fórmico etiléster
Acido acético anhidro
Glicol, monoetil éter glicol
Acetaldehido
Acido fórmico
10 E7
10 E6
10 E5
10 E4
10 E3
10 E2
Tabla 2.8: Resistividad eléctrica de líquidos conductores. En esta categoría se incluyen: hidrocarburos con grupos polares como
alcoholes, ácidos, aldehídos, cetonas, ésteres, nitrilos, amidas, aminas, nitro-compuestos.
2.7 OTRAS CAUSAS DE INCENDIOS DE ORIGEN ELÉCTRICO
2.7.1
Fallas de Aislamiento.
Para asegurar la protección de las personas y la continuidad del servicio eléctrico, los
conductores con tensión de una instalación eléctrica deben estar aislados respecto a
las masas conectadas a tierra, pero además no se debe de olvidar que los asilamientos
deben precautelar la seguridad contra riesgos de ignición, que se podrían dar en
forma silenciosa, ya que las corrientes de fuga del aislamiento (aislamientos débiles)
103
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
que están involucradas son muy pequeñas; en el orden de miliamperios y estas no
permitirían que actúe el sistema de protección contra Sobreintensidades.
2.7.2
Definición
Las fallas de aislamiento es una diferencia de potencial existente entre los
conductores eléctricos activos respecto a tierra o a masas por defectos en su
aislamiento.
2.7.3
Causas de los defectos de aislamiento
El aislamiento se consigue mediante:
La utilización de materiales aislantes,
Con una separación adecuada: necesitan determinadas distancias de aislamiento
Una aislación se caracteriza por las tensiones específicas que una instalación puede
soportar, por ejemplo los conductores eléctricos en un sistema de baja tensión deben
soportar hasta un voltaje de 600V, superado este voltaje los aislamientos sufren
degradación y puede presentar fallas de aislamiento.
Una instalación eléctrica puede sufrir diversas agresiones que originan fallas de
aislamiento:
Durante la instalación:
o
El deterioro mecánico de los aislantes de los cables;
Durante la utilización:
o El polvo, más o menos conductor,
o El envejecimiento térmico de los aislantes, debido a una temperatura
excesiva, que está causada por: el clima, un número excesivo de cables en
las canalizaciones, armarios mal ventilados, sobreintensidades.
Los esfuerzos electrodinámicos desarrollados durante un cortocircuito que
pueden dañar un cable o disminuir la distancia de aislamiento,
104
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Las sobretensiones de maniobra o de rayo,
Las sobretensiones de retorno a 60 Hz como resultado de un defecto de aislación
en MT (media tensión).
Normalmente es una combinación de estas causas primarias lo que lleva a un defecto
de aislamiento, que puede ser:
De modo diferencial (entre conductores activos), lo que se convierte en un
cortocircuito,
De modo común (entre conductores activos y masa o tierra) circulando entonces
por el conductor de protección (CP) y/o por tierra una corriente de defecto,
llamada de modo común u homopolar.
Los ECT (esquemas de conexión a tierra) en BT (baja tensión) resultan
especialmente afectados por los defectos en modo común, que normalmente se
producen a nivel de receptores y cables.
2.7.4
Riesgos debidos a un defecto de aislación
Un defecto de aislamiento, sea cual sea su causa, presenta riesgos como:
Riesgo para la vida de las personas,
Riesgo de incendio
Riesgo de no disponibilidad de energía.
2.7.4.1 Riesgo para la vida de las personas
Los valores de voltaje de contacto están relacionados con las condiciones del entorno
Definen el valor límite de la tensión de contacto UL peligrosa (según norma CEIComité Electrotécnico Internacional - 60364-4-41) como:
UL = 50 V para un entorno seco (caso general).
UL = 25 V para un entorno húmedo.
105
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Ahora si analizamos la corriente peligrosa para el ser humano, podemos ver que el
umbral es de 30mA, con esta corriente se produce riesgo de paro cardiaco y
conforme aumenta esta corriente y el tiempo que circula la misma por el cuerpo
humano, la probabilidad de riesgo es mayor (más del 50%).
FIG 44: Zonas tiempo/corriente de los efectos de la ca (de 15 Hz a 100 Hz) sobre las personas según CEI 60479-1.
Zona 1: percepción; Zona 2: gran malestar y dolor; Zona 3: contracciones musculares; Zona 4: riesgo de fibrilación ventricular
(paro cardíaco)
C1: probabilidad 5%; C3: probabilidad > 50%
2.7.4.2 Contacto directo
Se trata del contacto accidental de personas con un conductor activo (fase o neutro) o
elementos conductores que habitualmente están con tensión
FIG 45: Contacto directo.
106
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
2.7.4.3 Contacto indirecto
El contacto de una persona con masas metálicas accidentalmente puestas bajo tensión
se denomina contacto indirecto
FIG 46: Contacto indirecto.
2.7.5
Los esquemas de conexión a tierra (ECT)
Las normas CEI 60364 (Comité Electrotécnico Internacional) o IEC (siglas en
Ingles) definen tres esquemas de conexiones a tierra, que reciben los nombres de
TT, IT y TN.
La 1ª letra designa la situación de la alimentación (generalmente, el neutro del
secundario del transformador) con relación a tierra.
La 2ª letra designa la situación de las masas metálicas de los aparatos en la
instalación.
2.7.5.1 Esquema TN
En este tipo de esquema:
El punto de neutro de BT de cada fuente está conectado directamente a tierra.
Todas las masas de la instalación están conectadas a tierra (y por lo tanto al
neutro) a través de un conductor de protección:
o PE distinto del conductor de neutro; se trata del esquema TN-S.
o
PEN común con el conductor de neutro; se trata del esquema TN-C.
107
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Características
La corriente de fallo es muy importante y sólo está limitada por las impedancias de
los cables (algunos amperios).
Un fallo de aislamiento puede presentar un riesgo de electrocución: el esquema TN
obliga a realizar un corte casi inmediato; un fallo de aislamiento es análogo a un
cortocircuito monofásico fase-neutro.
FIG 47: Esquemas TN-S y TN-C.
Si ocurre una falla de aislamiento, la misma generará una corriente de defecto Id por
el recorrido A-B-C-D (fig. 48) que dependerá básicamente de la impedancia de los
conductores, teniendo un alta impedancia (gran longitud) significará una pequeña
corriente de defecto y si más pequeña mas imperceptible para el sistema de
protección y por lo tanto generadora de riesgo.
FIG 48: Corriente y tensión de defecto en el esquema TN.
108
2
Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
2.7.5.2 Esquema TT
En este tipo de esquema:
El neutro de la fuente está conectado a una toma de tierra distinta de la de las
masas.
Todas las masas protegidas por un mismo dispositivo de corte deben conectarse a
una misma toma de tierra.
Características
La corriente de los defectos de aislamiento es baja y está limitada por las
resistencias de tierra (algunos amperios).
Un defecto de aislamiento puede presentar un riesgo de electrocución: el
esquema TT obliga a realizar un corte inmediato.
Las protecciones de sobreintensidades no pueden garantizar la protección
contra los fallos de aislamiento (ya que la corriente de defecto es demasiado
baja): es necesario utilizar un dispositivo diferencial, aparato destinado a la
vigilancia de defectos de aislamiento.
FIG 49: Esquemas TT
FIG 50: Corriente y tensión de defecto en el esquema TT.
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CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Ante un fallo de aislamiento, la corriente de defecto Id queda limitada, sobre todo,
por las resistencias de tierra (fig. 50), ahora si estas resistencias son bajas generaría
más corriente, que por un lado podría ser beneficioso ya que la protección detectaría
más rápido, pero si las resistencias son altas daría lugar a corrientes pequeñas
llegando al umbral de 30mA en donde es peligroso para las personas y la protección
no podría detectar estas corrientes y por ende ser también un foco de acumulación de
calor, ya que mientras dure el defecto de aislamiento la corriente seguirá produciendo
más calor.
Tabla 2.9: Límites de la resistencia de la toma de tierra de las masas
2.7.5.3 Esquema IT
En este tipo de esquema:
El neutro del transformador está:
o Aislado de la tierra (neutro aislado), o bien.
o Conectado a tierra a través de una impedancia elevada (neutro
impedante), para fijar adecuadamente el potencial de una red respecto a
tierra, es aconsejable, sobre todo si es corta, colocar una impedancia
(Zn=1500 Ω) entre el neutro del transformador y tierra llamado de neutro
impedante.
Las masas de la instalación están:
o Todas interconectadas y conectadas a la misma toma de tierra.
o Interconectadas por grupo y cada grupo de masa conectado a una misma
tierra.
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CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Características
En funcionando normal (sin defecto de aislamiento), la red está puesta a tierra por la
impedancia de fuga de la red. Cuando aparece un defecto se genera una corriente de
falla If entre los conductores y la tierra de las masas de los equipos (fig. 52), esta
corriente no suele ser peligrosa, pero puede degenerar en un segundo defecto y
cuando aparece este y no se ha eliminado el primero, pueden darse tres situaciones
diferentes:
El defecto afecta al mismo conductor activo y no pasa nada
El defecto afecta a dos conductores activos diferentes: si todas las masas están
interconectadas, el defecto doble es un cortocircuito (a través del PE)
El defecto afecta a dos conductores activos diferentes pero no todas las masas
están interconectadas.
Para proteger una red de BT aislada de la tierra (IT) contra las elevaciones de tensión
se puede instalar un limitador de sobretensión entre el punto neutro del
transformador MT/BT y la tierra (Rb), también un Controlador Permanente de
Aislamiento (CPI) que supervisa todos los conductores activos, incluido el neutro.
FIG 51: Esquemas IT
FIG 52: Corriente del primer defecto de aislación en el esquema IT.
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Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
FIG 53: Corriente de segundo defecto de aislación en el esquema IT.
2.7.6
Condiciones para que exista riesgo de Incendio
Para que exista un riesgo de incendio, primeramente debe existir una falla de
aislamiento en la instalación eléctrica, luego como ya sabemos entrar en ignición con
materiales que faciliten su combustión. La primera causa importante se debe a
creaciones y recorridos de arcos eléctricos en presencia de humedad. Estos arcos sólo
pueden desarrollarse con bucles (recorridos de corriente de fallo) de defectos
impedantes (> 0,6 Ω) y aparecen únicamente con defectos de aislamiento o con
corrientes parásitas. Es suficiente poca energía para activar este fenómeno (algunos
julios), es decir, una corriente de defecto de aislamiento o una corriente parásita
300 mA presentan un riesgo real de incendio.
FIG 54: Algunos ensayos han demostrado que puede desarrollarse una corriente de fuga de aislamiento de bajo valor (algunos
mA) y, a partir de una corriente de 300 mA, generar en un entorno de polvo húmedo una salida de incendio.
Es decir si tenemos una impedancia mayor a 0,6 Ω en un ambiente con polvo
húmedo que facilita la propagación de la corriente y un defecto de aislamiento que
llega al umbral de 300mA es posible que se dé la ignición. Obviamente que para que
se desarrolle la ignición se necesita de material combustible que alimente la
combustión y se desarrolle un incendio, pero esto no es tan difícil que se dé, ya que
las fallas de aislamiento son por lo general imperceptibles para la protección eléctrica
y puede darse en cualquier parte de la instalación, es decir conductores o equipos
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CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
eléctricos próximos a materiales como la misma madera, plásticos o materiales
derivados del petróleo. Estas condiciones se podrían dar en bodegas o salas de
máquinas, ya que en estos lugares existen componentes eléctricos, como
conductores, tableros, motores y material inflamable y donde la humedad se hace
presente. Por ejemplo si suponemos que existe una falla de aislamiento en un motor y
que la corriente que esta fugando se conduzca por la humedad hasta el lugar donde
están almacenados productos de limpieza y estos entraron en contacto con la
corriente por estar evaporándose al ambiente, entonces se podría dar la ignición.
También las fallas de aislamiento que pueden originar una ignición, se dan por lo
general por los calentamientos no controlados generados por protecciones de
canalizaciones mal ajustadas (conductores a la intemperie) o impedancias de bucle de
defecto mal evaluadas (principalmente debidas a la obsolescencia y falta de
mantenimiento de la instalación). Las protecciones térmicas que no desempeñan
correctamente su función y los calentamientos excesivos debidos a las
sobreintensidades o a las sobretensiones que se producen en la instalación, sumadas a
estas el pasar de los años, las condiciones climáticas (temperatura, polvo, radiación
solar) podrían degradar del tal forma el aislamiento que podría conllevar a un
incendio.
Como se analizó, los principales esquemas de conexión a tierra tiene por objetivo
primordial de proteger a las personas de las consecuencias de fallos de aislamiento en
las instalaciones y como consecuencia directa de prever riesgos de ignición, siempre
y cuando los mismos tengan protecciones diferenciales y los conductores estén
dentro de canalizaciones o ductos, para que jamás entren en contacto con personas o
material inflamable, pero si estas dos últimas condiciones no se respetan, el riesgo es
mayor.
El esquema TN-S según NEC (National Electrical Code, norma de instalación en
EE.UU) no permite controlar la impedancia de bucle de defecto de aislamiento (es el
caso típico de la segunda causa de defecto que conlleva disparos de incendio en los
EE.UU). Ya que las protecciones diferenciales no actúan antes que el defecto genere
una corriente importante y destructiva.
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Capítulo
CAUSAS ELÉCTRICAS DEL FUEGO
Por ejemplo si tenemos un tornillo mal apretado, que está generando un
calentamiento dentro de un tablero eléctrico, si la protección no detecta este fallo es
posible que origine una ignición de los materiales eléctricos dentro del tablero.
FIG 55: Bucle de defecto mal controlado en un esquema NEC.
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