Mitigación de arc flash en Centros de Datos

       

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1 OBJETIVOS

1.1 Objetivo general Analizar el fenómeno de arc flash, para comprender sus implicaciones en las instalaciones eléctricas de los centros de datos, mediante el uso de literatura diversa sobre el tema.

1.2 Objetivos especifico

 ü Comprender el fenómeno de arc flash, para

así comprender sus implicaciones en los centros de datos.

ü Determinar las causas y las consecuencias del arc flash en los cetros datos, para así comprender su origen y el daño que puede lograr a ocasionar.

ü Investigar sobre las normas, métodos y equipos que permitan disminuir los efectos del arc flash, para así salvaguardar la vida y la propiedad.

2 DESARROLLO

Conforme ha aumentado el uso de la digitalización de procesos en la vida del ser humano, los centros de datos han llegado a tener una importancia primordial en el funcionamiento del diario vivir. Al punto que ha pasado de abarcar una simple habitación, a necesitar un estructura exclusiva para este.

Los centros de datos de hoy en día tienen muy altos consumos eléctricos, y estos continúan en aumento. Convirtiéndoles en estructuras eléctricas con alto potencial destructivo mediante el fenómeno de arc flash

Según la IEEE y la NFPA, por año se atienden alrededor de 2000 casos de quemaduras debido al fenómeno arc flash. En donde la mayoría de los casos ocurren en sitios con alto consumo energético.

No es sino hasta hace unos pocos años que en los países desarrollados se ha puesto especial atención a los daños, pérdidas humanas y a las pérdidas económicas causadas por este fenómeno.

2.1 ¿Qué es Arc Flash? Para definir arc flash se debe primeramente

definir y comprender que es el fenómeno de arco eléctrico, el cual es una fulguración o bola de fuego, producida por el paso de altas corrientes eléctricas a través del aire que existe entre dos conductores, o bien, entre un conductor y la tierra.

   

Figura  1.  Arco  eléctrico  

2.2 ¿Por qué ocurre el fenómeno de Arco Eléctrico?

El fenómeno de arco eléctrico puede ocurrir debido a impurezas en los materiales de los equipos, polvo en equipo eléctrico, corrosión, condensación o vapor en las cercanías o sobre equipos energizados, contacto accidental con zonas energizadas, sobre-tensión en espacios angostos, utilización de equipos con baja tolerancia al corto circuito en áreas donde el corto circuito es alto, entre otros factores ligados principalmente a errores humanos.

Allan Chaves Vargas Para DCC Mission Critical (DCC)

RESUMEN: En el presente documente se realiza una reseña sobre el fenómeno de arc flash, en cual se definirá el fenómeno como tal, sus causas, sus consecuencias y formas de prevención en los centros de datos. Además se hace una breve mención a las normas de seguridad y las formas de prevención y mitigación del fenómeno de arc flash en los centros de datos.

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El grupo de factores antes mencionado, es posible encontrarlos en múltiples instalaciones eléctricas, por lo que un centro de datos no se encuentra excento de contenerlos.

2.3 ¿Qué consecuencias tiene el Arco Eléctrico? Según la NFPA, el arco eléctrico puede producir

temperaturas de hasta 35.000 F, tres veces la temperatura del sol. Aunado a fuertes ondas de choque, liberación de gases tóxicos y proyectiles. Este conjunto de factores pueden producir graves quemaduras, problemas respiratorios, colapso de órganos vitales, perdida de miembros, perdida de la visión e incluso la muerte.

Sumado a los efectos producidos sobre los seres humanos, el arco eléctrico puede producir la destrucción de equipo eléctrico fundamental, como es el caso de protecciones, tableros de distribución eléctrica, conductores eléctricos, entre otros. Lo cual, en un centro de datos se puede transformar en interrupción de la operación por tiempos muy prologados, y por tanto en posibles pérdidas económicas y de continuidad del negocio.

Figura  2.  Arc  flash  en  subestación  

2.4 ¿Cómo se compone el Arco Eléctrico? El arco eléctrico se encuentra conformado por dos

fenómenos, arc blast y arc flash. El arc blast comprende la parte del arco referente a la onda de choque, proyectiles despedidos y gases tóxicos. Este fenómeno se encuentra poco estudiado y por ende no existe mucha información referente.

El arc flash es la parte luminosa y calorífica del arco eléctrico, y contiene la energía suficiente para generar quemaduras y lesiones capaces de producir la muerte. Las quemaduras pueden ir desde primer grado hasta cuarto grado.

Figura  3.  Tipos  de  quemaduras,  (a)  primer  grado,  (b)  segundo  grado,  

(c)  tercer  grado,  (d)  cuarto  grado.  

2.5 ¿Cuál es la unidad de medida del Arc Flash y de que factores depende?

La cantidad de energía que puede desplegar un evento de arc flash, o bien conocida como energía incidente, se mide en calorías por centímetro cuadrado (cal/cm2) y su magnitud depende de tres factores principales: corriente de falla de arco, tiempo de falla y distancia al punto de falla.

La corriente de falla de arco es directamente proporcional a la corriente de corto circuito, donde la corriente de arco siempre será menor; por ejemplo en sistemas eléctricos con tensiones de 13.5 kV la corriente de falla de arco puede ser de hasta el 95% de la corriente de corto circuito, o bien, en sistemas de 480 V esta corriente puede rondar el 50% de la magnitud. Por lo cual, las secciones con mayor potencial destructivo serán aquellos que tienen corrientes de corto circuito altas, como es el caso de los devanados secundarios de los transformadores principales de los centro de datos, subestaciones, alimentadores de motores y aires acondicionados de los centros de datos.

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El tiempo de falla como su nombre lo indica, es el tiempo que transcurre desde el inicio de la falla hasta su finalización. En sistemas eléctricos con protecciones eléctricas, el tiempo de falla se encuentra determinado por el tiempo de acción de la protección.

Figura  4.  Tiempo  de  Falla  

En muchos de los eventos de arc flash, la protección es destruida antes de lograr activarse. Esto debido a que la corriente de arco es menor que la corriente de corto circuito de los dispositivos de protección, permitiendo tiempos largos de acción de la protección, lo cual conlleva a grandes emisiones de energía.

La distancia al punto de falla, es la distancia a la que se encuentra el punto de falla al objeto afectado por el arc flash. Este factor es el que dicta a cuanta energía incidente estará expuesto un objeto; ya que conforme el objeto se aleje del punto de falla la energía incidente será menor.

2.6 ¿En qué lugares de un centro de datos puede ocurrir el fenómeno Arc Flash?

El arc flash puede ocurrir en tableros de distribución, transformadores, conductores, ducto barra, transferencias y cualquier equipo eléctrico que se encuentre energizado.

En los centros de datos, los puntos de falla de mayor riesgo son aquellos equipos eléctricos que tienen ampacidades altas, es decir, aquellos equipos que tiene mayor capacidad de transportar corriente; como es el caso de subestaciones eléctricas, tableros de aires acondicionado y tableros de cargas de gabinetes. Ya que al tener mayor ampacidad, se tendrá una posibilidad de mayor capacidad de corto circuito en el equipo.

2.7 ¿Cuáles normas previenen el fenómeno de Arc Flash?

Entidades como la Occupational Safety & Health Administration (OSHA), National Fire Protection Association (NFPA) y el Institute of Electrical and Electronics Engineers se han comprometido en desarrollar estándares que permitan garantizar la seguridad de los trabajadores de los daños del arc flash, como lo son las normas NFPA 70E y la norma IEEE 1584.

La norma NFPA 70E fue creada por petición de OSHA con la finalidad de complementar la norma NFPA 70, o bien conocido como código eléctrico nacional (NEC), acorde con los requisitos de OSHA. Su primera edición fue publicada en 1979 y contenía únicamente el primer capítulo.

La NFPA 70E pretende determinar mediante el uso de tablas e información básica el tipo de equipo de protección personal (PPE por sus siglas en ingles). Las tablas se encuentran parametizadas solo para ciertos escenarios, por lo que no son aplicables en todas las situaciones.

Caso contrario, la norma IEEE 1584 realiza el cálculo de la energía incidente y a partir de esta se determina el tipo de PPE a utilizar, permitiendo su aplicación en cualquier situación. Aunque esta norma es más completa que la NFPA 70E, conlleva un mayor número de cálculos y complejidad.

2.8 ¿Qué es el equipo de protección personal? El equipo de protección personal (PPE) es el

encargado de proteger al personal eléctrico de

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condiciones eléctricas peligrosas. Este equipo podrá contener uno o más de los siguientes elementos: zapatos especiales, guantes, mangas, pantalones, ropa interior, camisas, camisetas, overoles, gafas, tapones para los oídos, máscaras, viseras, entro otros. El uso específico de estos equipos será determinado por el ambiente peligroso al cual será expuesto el personal. en el caso de arc flash, lo indicara un estudio de Arc Flash, el cual se basa en las normas antes mencionadas.

Figura  5.  Equipo  de  protección  personal  

En  las  labores  de  mantenimiento  que  se  realicen  con  energía  presente  en  los  centros  de  datos,  es  altamente  recomendable  la  utilización  de  este  equipo  de  protección.  

2.9 ¿Cómo identificar la posibilidad de ocurrencia de un evento de Arc Flash en un centro de datos? Como ya se dijo anteriormente un evento de arc flash puede ocurrir en cualquier equipo eléctrico que se encuentre energizado, por lo cual determinar la posibilidad de ocurrencia de arc flash de un equipo determinado en el centro de datos es irrelevante, ya que todos los equipos tienen la misma probabilidad de ocurrencia. Sin  embargo,  es  de  suma  importancia  determinar  la  capacidad  destructiva  del  arc  flash  si  ocurre  en  un  equipo  determinado,  el  cual  se  encuentra  bajo  ciertas  condiciones  eléctricas  específicas,  donde  

se  entiende  por  condiciones  eléctricas  como  la  ampacidad,  tensión,  capacidad  de  corto  circuito  de  los  equipos  eléctricos  dentro  del  sistema.  

2.10 ¿Cómo determinar la capacidad destructiva del fenómeno de arc flash en un centro datos? Para  determinar  la  capacidad  destructiva  de  un  evento  de  arc  flash  en  un  centro  de  datos,  se  debe  realizar  un  estudio.  El  cual  debe  ser  realizado  por  un  profesional  capacitado,  que  tome  como  guia  lo  que  dictan  las  norma  NPFA  70E  e  IEEE  1584.  El  estudio  de  arc  flash  toma  como  base  los  parámetros  de  tiempo  de  falla,  corriente  de  falla  y  distancia  del  evento  para  determinar  el  potencial  destructivo  en  un  determinado  equipo.  A  partir  del  potencial  destructivo,  el  profesional  responsable  del  estudio  puede  determinar  el  límite  de  fulguración,  la  cantidad  de  energía  incidente  y  el  PPE  que  se  debe  utilizar  dentro  del  límite  de  fulguración.  El  límite  de  fulguración  se  define  como  la  distancia  a  la  cual  se  debe  estar  para  que  se  produzca  una  energía  incidente  de  2  cal/cm2.  Adicionalmente,  las  normas  señalan  la  necesidad  de  realizar  la  indicación  de  la  capacidad  destructiva  del  fenómeno  de  arc  flash  mediante  el  uso  de  etiquetas,  las  cuales  contendrán  como  mínimo  la  cantidad  energía  incidente,  el  límite  de  fulguración  y  el  PPE  necesario.  En  los  centros  de  datos  es  muy  común  tener  capacidades  destructivas  de  arc  flash  altas,  ya  que  estos  tienen  altas  demandas  de  consumo  eléctrico.  En  forma  muy  general,  un  centro  de  datos  con  un  transformador  principal  de  500  kVA  o  superior,  es  un  centro  de  datos  que  necesita  un  estudio  de  arc  flash.    

 

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Tabla  1.  Probabilidad  de  ocurrencia  del  fenómeno  de  arc  flash  en  función  de  la  capacidad  del  transformador  principal.  

kVA  transformador  

principal  

Riesgo  de  arc  flash  

Requiere  estudio  de  arc  flash  

100   bajo   Se  sugiere  250   medio   Se  sugiere  500   Alto   Altamente  

recomendable  Superior  a  500   Alto   Altamente  

recomendable    

2.11 Técnicas para la prevención y reducción a la exposición del fenómeno de Arc Flash en un centro de datos

Adicional a las normas, existen técnicas y equipos que disminuyen la capacidad destructiva del arc flash, algunos de ellos tienen como principal función limitar alguno de los tres factores que componen al fenómeno de arc flash. Otros buscan disminuir la exposición a dicho evento, utilizando sistemas de aislamiento en los posibles puntos de falla.

Las dos principales técnicas de reducción de arc flash son:

ü La reducción del corto circuito. ü Coordinación de protecciones.

Por  otro  lado,  algunos  equipos  que  permiten  la  reducción  de  arc  flash  son:  

ü Utilización de equipos y tableros clasificados arc resistant.

ü Reacondicionamiento   o   sustitución   de  equipo   eléctrico   antiguo   y   falto   de  mantenimiento.  

ü Utilización   de   mirillas   apropiadas   en  tableros  y   subestaciones,   para   realización  de   termografías,   sin  necesidad  de  abrir  el  equipo.  

ü Uso   de   equipos   con   barras  compartimentadas.  

ü Implementación  de  sistemas  de  detección  de  arcos  eléctricos.  

ü Uso   de   equipos   de   protección   con  enclavamiento  selectivo.  

ü Implementación   de   protecciones   con  sistemas  de  control  remoto.  

ü Uso   de   equipos   con   sistemas   de   bus  diferencial.  

 Finalmente, el arc flash es un fenómeno

impredecible e implacable que puede causar grandes pérdidas tanto a nivel humano como económico, por lo cual su estudio y prevención en las instalaciones eléctricas de los centros de datos es de vital importancia en aras de la seguridad.

3 CONCLUSIONES

ü Arco eléctrico es una fulguración producto del paso de altas corrientes en el aire.

ü Arco eléctrico se encuentra compuesto por fenómenos: arc blast y arc flash.

ü Arc flash es el fenómeno luminoso y calorífica del arco eléctrico.

ü Las quemaduras del arc flash pueden llegar hasta cuarto grado.

ü La energía del arc flash se mide en cal/cm2 y depende de tres factores: corriente de arco eléctrico, tiempo de falla y distancia al punto de falla.

ü La NFPA 70E y la IEEE 1584 son normas que buscan establecer normas de seguridad contra los daños producidos por el arc flash.

ü Existen técnicas y equipos que permiten disminuir la capacidad destructiva del arc flash.

4 BIBLIOGRAFÍA

 [1] Rojas C. Victor E.; Arc Flash Hazard Analysis & Electrical Safaty, manuscrito no publicado.

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[2] National Fire Protection Association; NFPA 70E, Norma para la seguridad eléctrica en lugares de trabajo (Edición 2004)

[3] Institute of Electrical and Electronics Engineers; IEEE 1584, Guide for Performing Arc Flash Hazard Calculations