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Publicado: Edición 85

AFDD - Detector de Arcos Eléctricos de Fallas

Ing. Alberto Mikalaiunas

AFDD - DETECTOR DE ARCOS ELÉCTRICOS DE FALLAS
Dispositivo de seguridad para las instalaciones eléctricas que hace años se usa en el resto del mundo

por Ing. Alberto Mikalaiunas

Las estadísticas de la Policía Federal de la República Argentina indican que cerca del 40 % de los incendios que se producen en dicho país se deben a problemas eléctricos. En Alemania se informa que, según estadísticas del año 2010 al 2014, un 34 % de incendios son de origen eléctrico. En el Reino Unido hay más de 17,000 incendios “eléctricos” cada año. Las estadísticas de incendios para 2017/18 identifican que casi el 23% de los incendios eléctricos domésticos son causados por electrodomésticos y cables defectuosos.
Y, hablando globalmente de Europa, según la organización como The European Fire Academy (EFA) el 25%
de los incendios en los edificios son de origen eléctrico.
En nuestro país esas cifras deben ser, sin duda, superiores.
¿Por qué suceden estos problemas? En parte son debido a:

  • Empleo de fusibles o interruptores termomagnéticos sobredimensionados para el cable que protege
  • Conductores no protegidos contra sobrecargas (¡más de un ingeniero me ha dicho que los cables no se protegen contra sobrecargas!)
  • Empleo de interruptores termomagnéticos con muy poco poder de corte para el sitio donde está instalado
  • Usar interruptores diferenciales como la “general” de una línea, sin recordar que el diferencial no tiene capacidad de apertura ante un cortorcircuito.

Pero a pesar de estas situaciones mencionadas (que existen en todas las instalaciones que he visitado) existen muchas otras situaciones de fallas que ni el mejor termomagnético ni el mejor interruptor diferencial puede detectar.
¿Cuáles son estas? Estas situaciones suceden cuando comienzan a producirse arcos internos en un aparato, o entre cables, que no tienen por qué ser hacia la tierra de la instalación (de lo contrario lo podría detectar un diferencial).

Esto es lo que vamos a explicar, de una manera sencilla, en este artículo.


fig1: Protección básica establecida por el actual Reglamento de UTE

Arcos internos en aparatos
Una falla de arco es una condición de falla involuntaria en un circuito. 
La formación de arcos crea un calentamiento de alta intensidad en el punto mismo del arco, lo que resulta
en la quema de partículas que con el tiempo pueden encender el material circundante. Los arcos repetidos pueden crear caminos de carbón que son la base para un arco continuo, generando temperaturas aún más altas. Las temperaturas de estos arcos pueden superar los 6000 °C.

Desarrollo de una falla de arco interno
Las fallas de arco rara vez son instantáneas y, dependiendo de una gran cantidad de factores, puede llevar tiempo desarrollarlas. El tiempo para que se forme una falla de arco depende de su causa raíz (influencias externas, envejecimiento, etc.).
Las fallas de arco pueden ocurrir inmediatamente o durante un período prolongado (horas, días, semanas, meses, años). Con el desarrollo del arco, se pueden generar temperaturas de hasta 6000 °C y, por lo tanto, el aislamiento circundante comienza a arder y eventualmente se desarrolla un incendio.
Las ilustraciones de la figura 2 ilustran una falla de arco en desarrollo.
Sólo el 3er tipo de falla es detectada por un interruptor diferencial, mientras que las otras 2 no lo son. Y estas situaciones son las que generan incendios en muchos lados.
Estas situaciones son conocidas desde hace años en el mundo (aunque ni se mencionan en los centros de estudio de nuestro bendito país). Con este fin se han inventado los interruptores automáticos AFDD (Arc Fault Detection Devices que podríamos llamar Dispositivos Detectores de Arcos de Falla).

La solución: Dispositivos Detectores de Fallas de Arco
Los arcos eléctricos que causan habitualmente incendios en los conductores y en las conexiones, en general no son detectados por los dispositivos de protección contra sobrecorrientes (interruptores automáticos o fusibles) ni por los interruptores o dispositivos diferenciales. Pero sí lo hacen los llamados AFDD
(Arc Fault Detection Devices).
Y la norma europea que los respalda es la IEC 62606 “General requirements for arc fault detection devices” de julio de 2013.

fig2: Tipos de arcos eléctricos

En los Estados Unidos, la historia de la detección de fallas de arco se remonta a varias décadas atrás. Las primeras patentes datan de 1983. En la década de 1990, se realizaron esfuerzos considerables para definir los requisitos adecuados y desarrollar productos adecuados para la detección de fallas de arco. Así se introdujeron en los EE. UU. desde 2001, gradualmente, los AFCI (arc fault circuit interrupters o interruptores de
circuito de falla de arco). En el año 2005, el uso de los AFCIs en los circuitos terminales de 15/20 A en los dormitorios se estableció en el NEC (National Electric Code, o simplemente el reglamento de baja tensión de USA) como un requisito a cumplir. Desde 2008, este requisito se ha ampliado para que también queden
protegidos por los AFCI prácticamente el resto de los circuitos terminales de ambientes internos de un inmueble. 
En nuestro país, en el Reglamento de Baja Tensión de UTE ni se mencionan. Está claro por qué: es una reglamentación muy vieja. Sin embargo la norma madre del Reglamento de UTE (la IEC 60364) se ha
actualizado/corregido o ampliado muchas veces desde que apareció el de UTE. Y recomienda el uso de los AFDD.
Pero, por otro lado, sí se permite el ingreso de este producto para su venta al público. Esto último habla bien de la URSEA. Y conozco, al menos, una marca de AFDD que se vende en nuestra plaza (tiene su aviso en la página 55 de esta edición).

fig3: Varias causas de la aparición de los arcos eléctricos

¿Cómo funciona un AFDD?
A diferencia de un interruptor automático que detecta sobrecargas y corrientes de cortocircuito y de un diferencial que detecta un desequilibrio de corriente, un AFDD utiliza tecnología electrónica para analizar la “firma” (forma de onda) de un arco, para diferenciar entre el arco normal y las fallas de arco. Aunque los fabricantes de AFDD pueden emplear diferentes tecnologías para analizar arcos, el resultado final es el mismo, detectando arcos paralelos (línea a línea, línea a neutro y línea a tierra) y arcos en serie
(formando un arco dentro de uno de los conductores). 
Al detectar una falla de arco, el AFDD desconecta el circuito final del suministro. 

Puede ver 2 videos de ejemplo de funcionamiento de AFDD de las marcas Hager y Schneider, respectivamente, en los siguientes links.

https://vimeo.com/351569574

https://vimeo.com/351570442

En los circuitos eléctricos existen numerosos casos de arcos normales que corresponden a una operación típica, tales como:

  • Arcos creados por interruptores, contactores, interruptores de impulso y otros dispositivos de control cuando se abren los contactos;
  • Arcos creados por motores de las diferentes cargas eléctricas conectadas al circuito (herramientas eléctricas portátiles, motor de aspiradora, etc.)

Para diferenciar entre el arco normal y las fallas de arco, los parámetros analizados son numerosos y variados, como:

  • La “firma” (forma de onda) del arco.
  • Duración del arco (duraciones muy cortas, por ejemplo, son características del funcionamiento normal de un interruptor).
  • Irregularidad del arco (los arcos de los motores, por ejemplo, son bastante regulares y, como tales, no se consideran una falla de arco).

Los AFDD están diseñados y probados para no responder a la formación de arcos en el funcionamiento normal de equipos como aspiradoras, taladros, atenuadores, fuentes de alimentación conmutadas,
lámparas fluorescentes, etc. 
Además, están diseñados y probados para continuar respondiendo a fallas de arco mientras se opera el equipo antes mencionado. 

fig4: "firma" típica de un arco eléctrico de falla

Como comprobar un AFDD
Los AFDD cuentan con: 

  • un botón de prueba manual. Cuando se prueba manualmente, el AFDD debe dispararse. Para AFDD sin una función de prueba automática, los expertos en AFDD recomiendan presionar el botón de prueba cada seis meses y/o 
  • realizar una función de prueba automática que verifique el circuito de detección de arco.


La función de prueba automática consiste en una prueba en el encendido y en intervalos que no exceden al menos una vez al día. Durante esta prueba automática, el AFDD no se dispara a menos que se detecte un mal funcionamiento. 
En caso de que se detecte un mal funcionamiento, el AFDD se disparará e indicará un mal funcionamiento.
Para los AFDD con un botón de prueba y una función de prueba automática, se deben seguir las instrucciones del fabricante con respecto al funcionamiento del botón de prueba. Los AFDD integrados con un diferencial, o con un diferencial combinado, incluirán al menos un botón de prueba para el elemento diferencial del dispositivo.

Algunas preguntas frecuentes que hacen quienes no conocen un AFDD

  • ¿Se dispara un AFDD con cualquier tipo de arco? No, el AFDD está diseñado para diferenciar entre lo que se conoce como arcos peligrosos y arcos asociados con el funcionamiento normal de los equipos. El arco peligroso es cuando se establece un arco continuo (de larga duración) que crea suficiente energía para causar ignición; p.ej. ignición del aislamiento del cable. Un arco de larga duración es uno que excede los tiempos de ruptura máximos (conocidos como tiempo de disparo) establecidos en la norma IEC 62606. Los arcos asociados con el funcionamiento normal son: conmutación, escobillas del motor, es un arco de corta duración (a veces denominado “chispas”).
  • ¿Se disparará un AFDD si creo un arco manualmente? Es muy difícil crear manualmente un arco de magnitud y duración de corriente suficiente para disparar un AFDD. El  contacto intermitente de los conductores juntos creará numerosos arcos de corta duración (chispas) pero estos arcos (chispas) no crean suficiente corriente de arco y duración de tiempo para disparar un AFDD. 
  • ¿En qué condiciones podría una conexión de alta resistencia desarrollar un arco y que un AFDD lo detecte? En una conexión eléctrica que se adhiere al aislamiento del conductor o que tiene un torque incorrecto, puede  producirse un calentamiento óhmico excesivo sin un arco continuo y, por lo tanto, no funcionaría un AFDD. Sin embargo, si la conexión se deteriora  posteriormente como resultado del calentamiento, puede ocurrir un arco continuo que operará el AFDD. Una conexión de alta resistencia puede sufrir un deterioro progresivo, ej: alta resistencia crea un calentamiento localizado, el calentamiento aumenta la oxidación y la  fluencia, la conexión se vuelve menos apretada, lo que puede dar como resultado la carbonización y el seguimiento sostenido del arco que operará la AFDD. 
  • ¿Los AFDD están destinados a proteger más de un circuito final?  No. Un AFDD debe colocarse en el origen de un solo circuito final. Esta disposición se prescribe en el estándar de producto AFDD para minimizar los disparos no deseados. El principio fundamental es que cada instalación se dividirá en circuitos, según sea necesario, para evitar peligros y minimizar inconvenientes en caso de falla y para reducir la posibilidad de disparos no deseados.

 

Contacto:
Ing. Alberto Mikalaiunas
am@electromagazine.com.uy
Agradezco la ayuda y apoyo de:
BEAMA, en su artículo “BEAMA Guide to Arc Fault Detection Devices” (BEAMA es la asociación comercial más respetada para el sector electrotécnico del Reino Unido) - www.beama.org.uk
Artículo “La electricidad, los riesgos de incendio y las nuevas tecnologías de detección de fallas por arco” del especialista argentino Ing. Carlos Galizia, que nunca se cansa de estudiar y profundizar en todo lo
relativo a la seguridad de las instalaciones eléctricas - cgalizia@gmail.com