A partir de la segunda mitad del siglo XIX, el desarrollo de máquinas eléctricas (dínamos y alternadores) capaces de convertir la energía mecánica en eléctrica permitió trabajar con unos niveles de potencia muy altos, inimaginables con anterioridad. Rápidamente, la energía eléctrica fue introduciéndose en la industria, en las comunicaciones, en el alumbrado y en usos domésticos, lo que puso de relieve la necesidad de estudiar los peligros que podía representar para los seres vivos y de desarrollar prácticas y normativas que garantizasen la seguridad de los usuarios. De estos temas trataremos en lo que sigue.
Magnitudes eléctricas
En electrotecnia se precisan varias magnitudes fundamentales para caracterizar correctamente un circuito eléctrico y sus propiedades. Sin entrar a profundizar en todas ellas, expondremos los aspectos principales del tema que nos ocupa en base a las tres más conocidas por el público en general: la tensión, la intensidad y la resistencia .
La tensión, también llamada «diferencia de potencial» y más familiarmente «voltaje» está relacionada con la capacidad de trabajo que puede realizar una carga eléctrica. Usando un símil hidráulico, sería la presión del agua, debida a una bomba o a una diferencia de nivel. La unidad se denomina Voltio (V) y, para tener unas referencias, cabe decir que una pila o batería tiene una tensión entre 1 voltio y unas decenas de voltios, la red de alimentación doméstica opera a 230/400 V y una línea aérea de transmisión funciona entre 11.000 y 400.000 voltios.
La intensidad es la cantidad de electricidad «carga eléctrica» que circula a través de un conductor por unidad de tiempo. En hidráulica sería el caudal, los m3 por segundo que pasan por una tubería. La unidad se llama Amperio (A) y, a título de ejemplo, podemos decir que una estufa eléctrica doméstica consume unos 4 a 8 amperios. Hay que destacar la expresión que circula porque respecto a la intensidad es frecuente cometer el error de hablar de «un enchufe, un interruptor, etc. de 10 A». Pues bien, la intensidad real en aplicaciones domésticas puede estar entre 0 A -si no hay nada conectado- hasta millares de amperios si el aparato conectado es defectuoso o presenta un cortocircuito. La cifra que se indica en el propio dispositivo es la máxima intensidad aplicable, de modo permanente, a efectos de calentamiento del mismo, no la intensidad real en cualquier momento.
La resistencia es la medida del grado de dificultad que ofrece un cuerpo para que la corriente eléctrica circule por él. En hidráulica sería equivalente a la dificultad de paso del agua por una tubería según su diámetro y su longitud. La unidad es el Ohmio (Ω) que se define como la resistencia que permite el paso de 1 A bajo una diferencia de potencial de 1 V. Para hablar con propiedad, deberíamos referirnos al concepto más general de impedancia (especialmente en corriente alterna) pero la naturaleza esencialmente resistiva del cuerpo humano permite la simplificación realizada.
Las tres magnitudes no son independientes entre sí. Se considera que la resistencia no es una magnitud fundamental, sino que se calcula a partir de la tensión e intensidad mediante la conocida Ley de Ohm:
R (Ω )= E(volt)/I(A)
Al igual que un grifo permite variar el caudal de agua que pasa por una tubería, también es posible que la resistencia eléctrica varíe de un cuerpo humano a otro, y dependa de las superficies de contacto, del estado de humedad de la piel y de otras circunstancias. Esto debe tenerse muy en cuenta al considerar las posibles consecuencias de una descarga eléctrica.
Efectos de la electricidad sobre el cuerpo humano
Cuando alguna parte o partes del cuerpo humano entran en contacto con dos puntos u objetos entre los que existe una diferencia de potencial (voltaje), se establece el paso de una corriente eléctrica a través del cuerpo que puede producir efectos muy diversos, desde un leve cosquilleo hasta la muerte, pasando por contracciones musculares, dificultades o paro respiratorio, caídas, quemaduras, fibrilación ventricular y paro cardíaco. Esto se conoce como choque eléctrico.
El choque eléctrico puede producirse al tocar elementos sometidos a tensión, como cables o barras metálicas desnudas (contacto directo), u objetos, normalmente inofensivos, cuya tensión se debe a fallos y defectos de aislamiento (contacto indirecto).
Esquema de red trifásica
Para poder comprender el proceso es necesario puntualizar que la red de distribución en baja tensión -la que entra en nuestros domicilios, oficinas, locales comerciales, etc.- es trifásica y el neutro está conectado a tierra.
A partir del esquema anterior puede inferirse que si una persona entra en contacto con una de las fases L1, L2, L3 y tiene los pies apoyados en el suelo (o toca alguna masa metálica, tubería, etc. que haga buen contacto con tierra) se cerrará el circuito estableciéndose una corriente que atravesará su cuerpo, produciéndole el choque. Lo mismo ocurrirá si toca la carcasa metálica de algún aparato que presente defectos de aislamiento.
Los factores que determinan la severidad de las lesiones son:
El tipo de corriente, continua (pilas y baterías) o alterna (red eléctrica).
En general, la corriente alterna de baja frecuencia (50 – 60 Hz) que se distribuye a través de la red puede llegar a ser hasta 3 o 5 veces más peligrosa que la continua. Puesto que se trata del tipo de corriente al que habitualmente estamos expuestos en viviendas, locales, comercios, oficinas, etc., nos centraremos en los riesgos que lleva asociados la alterna.
La intensidad y el tiempo.
En general, cuanto mayor es la intensidad y/o el tiempo en que circula corriente por nuestro cuerpo, más graves son las consecuencias. La tabla siguiente muestra los efectos generados en función de la intensidad y el tiempo de exposición, en un adulto de más de 50 kg de peso, suponiendo que los puntos de contacto son dos extremidades.
Las definiciones de los términos empleados son:
Umbral de percepción: Valor mínimo de intensidad que provoca una sensación en una persona.
Umbral de reacción: Corriente mínima que produce una contracción muscular.
Umbral de no soltar: Valor máximo de la intensidad para el cual una persona puede soltarse de unos electrodos que provocan el paso de la corriente. En corriente alterna se considera que este valor es de 10 mA, para cualquier tiempo de exposición.
Umbral de fibrilación ventricular: Valor mínimo de la intensidad que puede originar fibrilación ventricular. Decrece sustancialmente cuando la duración del paso de corriente se prolonga más allá de un ciclo cardíaco. Es la causa principal de muerte por accidentes eléctricos.
La tensión y la resistencia
La tensión (voltaje) no es peligrosa en sí misma, pero, de acuerdo con la ley de Ohm, ocasiona el paso de una corriente cuyos efectos ya se han descrito y cuya magnitud depende, además, de la resistencia.
La tensión de contacto, que es la existente en el punto de contacto antes de que éste se produzca, es fácil de estimar o calcular. En el caso de instalaciones de baja tensión (domésticas o industriales), en Europa suele ser de 230 V si el contacto es entre fase y neutro (o entre fase y tierra), que es el caso más frecuente, y de 400 V si se tocan dos fases simultáneamente.
El problema reside en determinar el valor de la resistencia, ya que ésta, en el caso del cuerpo humano no sólo depende de condiciones externas o ambientales (grado de humedad de la piel, presión de contacto, estado de la epidermis y zona de contacto, etc.) sino también del valor de la tensión. Por tanto, podríamos decir que la corriente depende doblemente de la tensión estableciéndose entre ambas una relación directamente proporcional a través de la ley de Ohm, y una dependencia con la resistencia, que figura en el denominador de dicha ley.
Tomando como referencia la resistencia de una mano a la otra en condiciones de piel seca, una corriente alterna a frecuencia de la red (50 Hz) y una superficie de contacto de 50 a 100 cm2, la NTP 400 del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo establece los siguientes valores para la resistencia (más propiamente impedancia) del cuerpo humano.
Según puede verse, en el caso de una red doméstica a 230 V, el 5% de la población tendría una resistencia inferior o igual a 1000 Ω, el 50% no superaría los 1350 Ω y el 95% tendría un valor igual o menor que 2125 Ω. Obviamente el peor caso corresponde a los 1000 Ω, que darían lugar al paso de una corriente de 230 mA cuyas consecuencias podrían ser fatales.
El recorrido de la corriente
La gravedad de un accidente depende del camino de la corriente a través del cuerpo. Una trayectoria larga, en principio, presentará mayor resistencia dejando pasar menos intensidad pero si atraviesa órganos vitales como el corazón, los pulmones, el hígado, etc., puede provocar lesiones mucho más graves. Los recorridos más peligrosos son los que afectan a la cabeza (daños cerebrales) o al tórax (parada cardiorrespiratoria).
Los valores de intensidad y tiempo reflejados en la “Tabla de Efectos Fisiológicos» corresponden a un trayecto «mano izquierda – dos pies». Para otros caminos debe aplicarse un coeficiente de corrección F llamado «factor de corriente de corazón» que permite calcular la equivalencia del riesgo de las corrientes que atraviesan el cuerpo siguiendo otros recorridos.
La intensidad equivalente viene dada por la fórmula:
Ieq = Iref/F
siendo Iref la intensidad correspondiente al trayecto mano izquierda – dos pies y F el factor de corriente de corazón.
Corriente de corazón «F»
Protección frente a Riesgos Eléctricos
El tema de la protección frente a riesgos eléctricos es complejo y propio de especialistas a causa de la gran cantidad de variables y circunstancias a tener en cuenta. Por ello, además de recomendar grandes dosis de prudencia y sentido común nos limitaremos a destacar la importancia de tres elementos que obligatoriamente deben formar parte de la acometida para que la instalación pueda ser autorizada.
El Interruptor de Control de Potencia. (ICP)
El ICP era el elemento que hasta tiempos recientes cumplía dos misiones: debía cortar el paso de corriente si la potencia consumida era superior a la autorizada y proteger toda la instalación en caso de cortocircuito o sobrecarga, desconectando después de un cierto tiempo. En la actualidad, la legislación obliga a la separación de ambas funciones, de modo que el control de la potencia usada, que no puede ser superior a la contratada, corre a cargo de un contador inteligente que realiza una telegestión del consumo, en tanto que las funciones de protección (sobrecarga y cortocircuito) las efectúa un interruptor magnetotérmico (interruptor automático). Situado inmediatamente a la entrada de la línea de alimentación consiste en un interruptor con disparo magnético en caso de grandes intensidades y disparo térmico por efecto Joule en caso de sobrecargas moderadas. El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga. La actuación magnética permite un corte de corriente muy rápido (típicamente 20 – 30 ms) en caso de cortocircuito mientras que la acción térmica proporciona un tiempo disparo inversamente proporcional al cuadrado de la intensidad, lo que representa de segundos a minutos en función de la relación entre la intensidad real y la nominal del interruptor.
ICP bipolar
Se trata de un elemento esencial de seguridad para evitar incendios y otros accidentes, que debe mantenerse en perfectas condiciones y no bloquearse ni sustituirse por otro de mayor calibre si se desconecta con frecuencia. En este caso se tendrá que consultar a un experto y/o a la compañía suministradora
El Interruptor Diferencial (ID)
El interruptor diferencial, a menudo llamado simplemente diferencial, tiene la misión de desconectar la alimentación de todos los elementos receptores que siguen al interruptor, al detectar una fuga de corriente a tierra de una intensidad superior a la nominal de 30 mA. Además, debido a la influencia del tiempo y la corriente en los efectos fisiológicos, debe hacerlo con un retardo inferior a 0,2 s para la intensidad nominal y 0,1 s para una intensidad doble. Su correcto funcionamiento es esencial por lo que jamás debe ser eliminado o bloqueado de alguna manera. Al contrario, se dispone reglamentariamente de un botón de prueba que debe accionarse periódicamente para comprobar su buen estado.
Interruptor diferencial bipolar
La presencia del interruptor diferencial no exime de la vigilancia y mantenimiento de la instalación eléctrica porque, entre otras cosas, al detectar la corriente que va a tierra protege de los contactos más frecuentes, entre una fase y tierra (contacto con los pies), pero no salvaguarda en absoluto del contacto simultáneo con dos fases (líneas y receptores industriales) ya que en este caso no deriva a tierra corriente alguna.
La Toma de Tierra
La toma de tierra es fundamental para evitar los accidentes por contacto indirecto y puede consistir en una placa de cobre enterrada o en unas jabalinas clavadas en el suelo. La toma debe conectarse a un cable que, recorriendo toda la instalación, se conecta, a su vez a las carcasas o puntos de conexión de todos los receptores, ya sean fijos o móviles. En caso de una pérdida de aislamiento, la corriente de fuga pasa por él y, debido a la baja resistencia de la toma de tierra, la tensión de contacto en caso de tocar el aparato es muy baja. Si la corriente excede los 30 mA, el interruptor diferencial actúa y corta el suministro a todas las líneas afectadas. En caso de fallo total de aislamiento se produce un cortocircuito directo entre una fase y tierra que además de provocar la intervención del interruptor diferencial, causa la intervención inmediata del ICP debido al elevado valor de la intensidad de cortocircuito.
Toma de tierra mediante jabalina
Nota: Los elementos interruptores se han descrito según el modelo electromecánico clásico por ser el hasta ahora más usado y a su vez más fácil de entender en cuanto a su principio de funcionamiento. No obstante, cabe señalar que el gran y rápido progreso de los componentes electrónicos -así como su tendencia a la baja de costes por producción masiva- está provocando la aparición de dispositivos equivalentes basados en soluciones electrónicas y esta tendencia parece irreversible. Además, es relativamente sencillo integrar varias funciones en un solo aparato, reduciendo peso y espacio y, por supuesto, mano de obra de cableado.
¿Que se debe retener de las explicaciones de los elementos que se han mencionado? Pues exclusivamente sus funciones de protección: cortocircuitos, sobrecargas prolongadas y deterioros de aislamiento que produzcan corrientes de defecto. Lo fundamental es la función (hay muchos más aparatos para protección de fallos), lo secundario es la tecnología.
BIBLIOGRAFÍA / REFERENCIAS
Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (2002). Ministerio de Industria, Energía y Turismo
NTP 400: Corriente eléctrica: efectos al atravesar el organismo humano. Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales
NTP 437: Aspectos particulares de los efectos de la corriente eléctrica(I). Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales
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