Peligro bajo tus pies: Una inmersión profunda en el tacto y el voltaje escalonado | International Power Quality Foro de Discusión

Introducción

Cuando pensamos en peligros eléctricos, A menudo imaginamos el contacto directo con una línea eléctrica de alto voltaje o una pieza de maquinaria que genera chispas.. Sin embargo, Algunos de los peligros más insidiosos en ingeniería eléctrica ocurren sin ningún contacto directo con un conductor activo.. Durante una falla a tierra en una subestación eléctrica o en una línea eléctrica, grandes corrientes surgen en la tierra. Esta afluencia de electricidad crea gradientes de voltaje a través del propio suelo., convertir el suelo bajo los pies de una persona en una posible trampa mortal. Este fenómeno se rige por dos conceptos críticos de seguridad.: voltaje de paso yvoltaje de contacto.

Comprender estos conceptos no es sólo un ejercicio académico; Es la piedra angular del diseño de subestaciones y la seguridad de los servicios públicos.. Como lo señalan los estándares de la industria, El objetivo principal de un sistema de puesta a tierra seguro es garantizar que una persona que se encuentre cerca de instalaciones conectadas a tierra no esté expuesta al peligro de una descarga eléctrica crítica.[1][3]. Este artículo explora las definiciones de estos voltajes., la ciencia detrás de cómo afectan al cuerpo humano, Los estándares internacionales que dictan límites seguros., y los métodos de ingeniería utilizados para mitigar estas amenazas invisibles..

Definiendo los peligros: Paso vs.. Voltaje táctil

Para entender el riesgo, Primero se debe comprender la diferencia entre los dos tipos de diferencias de potencial que una persona puede encontrar durante una falla..

Voltaje de paso es la diferencia en el potencial superficial que podría experimentar una persona al cruzar una distancia de 1 metro (aproximadamente un paso) con sus pies, sin contactar con ninguna conexión a tierra [1][4] . Imagine una falla donde la corriente se disipa en el suelo.. El voltaje es mayor en el punto donde la corriente ingresa a la tierra. (por ejemplo, un conductor caído o una torre de transmisión) y disminuye a medida que aumenta la distancia desde ese punto[3] . Si una persona camina por la zona, un pie podría estar en un punto de mayor voltaje (más cerca de la culpa) y el otro pie a menor voltaje (más lejos). La diferencia de voltaje entre esos dos puntos es el voltaje de paso.. Si este voltaje es lo suficientemente alto, impulsará una corriente a través de las piernas y la parte inferior del cuerpo de una persona, potencialmente causando pérdida de control muscular o fibrilación ventricular[2][5]..

Voltaje táctil, por otro lado, implica un camino de la mano a los pies. Se define como la diferencia de potencial entreAumento potencial del suelo (GPR) de una estructura puesta a tierra (como una cerca de subestación o un recinto metálico) y el potencial de superficie en el punto donde una persona está parada mientras toca simultáneamente esa estructura[1][4]. . Por ejemplo, durante una falla, La cerca de una subestación podría alcanzar un voltaje peligrosamente alto en relación con “verdadera tierra.” Si una persona parada a unos metros de distancia toca esa valla, su cuerpo completa el circuito. El voltaje que intenta impulsar la corriente a través de su pecho. (de la mano a los pies) es el voltaje de contacto[2].

un tercero, concepto relacionado esVoltaje transferido, un caso especial de voltaje de contacto. Esto ocurre cuando se transfiere voltaje dentro o fuera de una subestación desde o hacia un punto remoto a través de caminos conductores como tuberías., rieles, o comunicación [1][3] . Una persona tocando esto “energizado” Un objeto remoto mientras se encuentra en el suelo local podría quedar expuesto a toda la fuerza de la falla remota..

La física de un shock: Corriente corporal y fibrilación.

¿Por qué son peligrosos estos voltajes?? El cuerpo humano es esencialmente una gran resistencia.. Cuando aparece una diferencia de voltaje a través de él., flujos de corriente. La principal causa de muerte por descarga eléctrica esfibrilación ventricular, una condición donde la acción de bombeo rítmico del corazón cesa y comienza a temblar caóticamente, haciéndolo incapaz de bombear sangre[5][2].

La gravedad de una descarga eléctrica depende de tres factores principales.: la magnitud de la corriente, la duración de la exposición, y el camino que toma la corriente a través del cuerpo (siendo la mano a pie la más peligrosa porque cruza el corazón) .

Estándares como el IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) e IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) Han establecido modelos matemáticos para determinar límites de voltaje seguros basados en estos factores.. El IEEE Std. 80 utiliza una fórmula derivada de estudios de Dalziel, que supone un peso corporal y una resistencia corporal fija de1000 Z [1][5]. La corriente corporal permitida para un 50 kilos (110 libra) persona se calcula como:

${Yo}_{B} = \frac{0.116}{\sqrt{t_{s}}} amperios$ YoB=ts0,116 amperios

Donde $t_{s}$ tses la duración del shock en segundos. por un 70 kg persona, los constantes cambios de 0.116 a 0.157[5] .

Usando esto, Se pueden calcular los voltajes de contacto y de paso tolerables.. Las fórmulas incorporan la resistencia corporal. (1000 Z) y la resistencia de los pies, que se modela como un disco conductor. La resistencia del pie depende de la resistividad del material de la superficie. ( $r_{s}$ rs) sobre el que se encuentra la persona. Las ecuaciones estándar son:

Voltaje de paso: ${Lo}_{s t y p} = (1000 + 6 C_{s} r_{s}) \frac{0.116}{\sqrt{t_{s}}}$ Lostyp=(1000+6Csrs)ts0.116
Voltaje táctil: ${Lo}_{t la usted c h} = (1000 + 1.5 C_{s} r_{s}) \frac{0.116}{\sqrt{t_{s}}}$ Lotlaustedch=(1000+1.5Csrs)ts0.116

El factor de “6” en la ecuación del paso representa dos pies en serie (la resistencia de dos contactos de pies en la misma superficie), mientras que el factor de “1.5” en la ecuación del tacto representa dos pies en paralelo [1][3] .

El estándar IEC (IEC 60479-1) adopta un enfoque más complejo, considerando la impedancia corporal como una variable dependiente del voltaje y el percentil poblacional, y presentando un “factor de corriente del corazón” para diferentes caminos actuales. Generalmente, El estándar IEC permite límites de seguridad más altos para duraciones de falla más cortas que 400 milisegundos, reconocer el momento de la fase vulnerable de la onda T del corazón[2][5] .

Ingeniería de Mitigación y Diseño

Porque no se puede confiar en que la tierra misma elimine una falla (una varilla de tierra por sí sola no puede reducir el potencial de contacto a un nivel seguro[3])), Los ingenieros deben diseñar sistemas de puesta a tierra para proteger activamente al personal.. El proceso de diseño implica medir la resistividad del suelo., calcular la corriente máxima de falla, y luego diseñar una rejilla de conexión a tierra que garantice que los voltajes de contacto y de paso reales permanezcan por debajo de los límites tolerables calculados.[1][3] .

Se emplean varias estrategias clave para lograr esto.:

1. La red de puesta a tierra: La defensa principal es una red de puesta a tierra bien diseñada.. Consiste en una red de conductores de cobre desnudos enterrados en un patrón de rejilla. (a menudo espaciados 10 a 20 pies separados) y unido de forma segura a todas las estructuras metálicas sobre el suelo.. Esta rejilla ayuda a mantener toda el área a un potencial más uniforme y proporciona una ruta de baja impedancia para la corriente de falla.[1][3][4].

2. Capas superficiales de alta resistividad: Esta es una de las medidas de mitigación más visibles y efectivas.. En subestaciones, una capa de roca triturada (grava) se extiende sobre la superficie. Este material tiene una resistividad muy alta. ( $r_{s}$ ρs) en comparación con el suelo normal. Colocando esta capa entre los pies de una persona y la tierra subyacente, Agrega una resistencia en serie significativa al circuito de choque., reduciendo así la corriente que puede fluir a través del cuerpo[1][4]. La eficacia de esta capa se tiene en cuenta en las ecuaciones de seguridad mediante el factor de escala. $C_{s}$ cs[1].

3. Zonas equipotenciales: Para trabajadores que deben estar en contacto directo con equipos puestos a tierra., creando unzona equipotencial es critico. Esto a menudo se logra utilizando un temporalestera de tierra (una malla metalica) que está adherido al equipo. Cuando un trabajador se para sobre el tapete y toca el equipo, Tanto sus pies como sus manos tienen el mismo potencial., reduciendo efectivamente el voltaje de contacto a cero [4] . Unir todos los objetos conductores en el área de trabajo inmediata tiene un propósito similar[3].

4. Eliminación de protección más rápida: Los límites de voltaje tolerables son inversamente proporcionales a la raíz cuadrada de la duración del choque. ( $\sqrt{t_{s}}$ ts). Por lo tanto, más rápido puede operar un relé de protección para eliminar una falla, cuanto mayor sea el voltaje, una persona teóricamente puede sobrevivir. Reduciendo el tiempo de eliminación de fallas., Los ingenieros pueden aumentar significativamente el margen de seguridad..

Conclusión

Las tensiones de paso y de contacto representan un desafío único en seguridad eléctrica: El peligro es invisible y existe en el suelo que pisamos.. El peligro no es el voltaje de la línea eléctrica en sí., pero el gradiente de voltaje creado por la tierra actuando como conductor. A través de décadas de investigación sobre los efectos de la electricidad en el cuerpo humano., estándares como IEEE Std 80 e IEC 60479 han proporcionado a los ingenieros las herramientas para cuantificar estos riesgos y diseñar sistemas para mitigarlos.[1][2]..

Desde la grava de alta resistividad bajo nuestros pies en una subestación hasta los complejos modelos informáticos utilizados para diseñar redes de puesta a tierra, Cada elemento trabaja en conjunto para garantizar que cuando ocurre una falla, El gradiente de voltaje invisible sigue siendo solo eso: invisible y, lo más importante, inofensivo. A medida que evolucionan los recursos energéticos distribuidos y las redes inteligentes, Mantener la integridad de estos sistemas de puesta a tierra sigue siendo primordial para proteger tanto al público como a los trabajadores de servicios públicos. [3][4].

Referencias

Estándar IEEE 80,Guía de seguridad en la puesta a tierra de subestaciones de CA .
IEC 60479-1, *Efectos de la corriente en los seres humanos y el ganado. – Parte 1: Aspectos generales*.
Estándar IEEE 81,Guía para medir la resistividad de la Tierra, Impedancia de tierra, y potenciales de la superficie de la tierra de un sistema de puesta a tierra .
OSHA (Administración de Seguridad y Salud Ocupacional) orientación sobre seguridad eléctrica.
Dalziel, C. F., & Sotavento, En. R. (1960década de 1970). Corrientes eléctricas letales.Transacciones IEEE sobre la industria y aplicaciones generales .
CEI 62305,Protección contra rayos .

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