Protección frente a cargas electrostáticas. Parte 1

CENTRO NACIONAL DE CONDICIONES DE TRABAJO

En este documento se trata el fenómeno de la electricidad estática que se presenta de diversas formas en múltiples circunstancias del trabajo diario, sea con descargas incómodas en tareas de oficina, como foco de ignición en procesos con presencia de nieblas, vapores, gases o polvos combustibles y en determinadas operaciones en que las cargas electrostáticas afectan al propio producto o a su manipulación.

Introducción

La electricidad estática es un fenómeno que cualquier persona habrá experimentado alguna vez en forma de descarga al acercarse a tocar un elemento conductor como la manilla o el pomo metálico de una puerta después de haber andado sobre un suelo de moqueta o al bajar de un automóvil y tocar la puerta. Igualmente se habrán podido observar destellos al quitarse ropa de tejido acrílico y la atracción del cabello al acercarse a la pantalla de un televisor.

La electricidad estática da lugar al conjunto de fenómenos asociados con la aparición de una carga eléctrica en la superficie de un cuerpo aislante o en un cuerpo conductor aislado.

Generación de la electricidad estática

El fenómeno de la generación de electricidad estática se conoce desde hace muchos años al observar la atracción de trozos de papel mediante varillas o barras de materiales aislantes después de haber sido frotadas con una pieza de tela. Para generar electricidad estática es suficiente el contacto o fricción y la separación entre dos materiales generalmente diferentes y no necesariamente aislantes, siendo uno de ellos mal conductor de la electricidad. Los materiales conductores permiten el paso de cargas eléctricas, mientras los aislantes lo obstaculizan. Las cargas electrostáticas negativas son electrones de los átomos de los elementos químicos y las positivas equivalen a la acción de los protones del núcleo atómico privados de los electrones de la última capa. Los electrones situados en la superficie de un material aislante o un conductor aislado no pueden disiparse fácilmente mientras no tengan una vía conductora a tierra. Al no poder circular con facilidad dan lugar a la denominada electricidad estática, a diferencia de la otra electricidad dinámica que circula por los conductores con fines de transmisión y utilización de energía. Los electrones tienen libertad de movimientos de una molécula a otra en los conductores, pero los protones son inseparables del átomo y no pueden moverse a menos que lo haga el propio átomo. El conjunto de los átomos de los cuerpos sólidos forman estructuras que mantienen la posición de dichos átomos entre sí. En cambio en los líquidos y mucho más en los gases, se tiene un desplazamiento relativo entre los mismos. Esa es la razón porque en los sólidos sólo se mueven los electrones y en los líquidos y gases se pueden mover electrones y protones. La carga originada por este fenómeno se llama carga triboeléctrica y una serie triboeléctrica como la mostrada ayuda a determinar la polaridad de cada uno de los dos materiales cargados. La magnitud de la carga electrostática está relacionada con la posición o distancia relativa entre sí de los materiales en la serie y su signo está determinado por la propensión de un material a ceder o ganar electrones que es lo que en realidad indicatal serie. Así p.e. el frotamiento de una pieza de vidrio y otra de teflón y su posterior separación darán lugar a una carga electrostática negativa sobre la pieza de teflón y otra de igual magnitud y carga positiva sobre la de vidrio. La misma experiencia realizada p.e. con poliester y níquel daría cargas positivas y negativas respectivamente en sus superficies pero con magnitud menor de la cantidad de carga eléctrica en culombios.

Esta primera forma de generación de electricidad estática es la más corriente y ocurre en multitud de situaciones (Ver fig. 1). Así una cinta transportadora o correa, al pasar por una polea, o una banda de papel, tela, etc. al pasar entre rodillos, genera cargas de electricidad estática. También se genera en el trasvase de líquidos no conductores a través de conducciones, al caer a chorro libre, al ser pulverizado a través del aire y cuando el aire u otros gases burbujean a través de tales líquidos. Los disolventes derivados del petróleo, como el tolueno y el disulfuro de carbono, son materiales que fácilmente generan y acumulan cargas electrostáticas habiendo generado accidentes catastróficos por tal circunstancia. Otros ejemplos se tienen con gases que salen a gran velocidad por una boquilla, especialmente si arrastran líquido o partículas sólidas, en el transporte neumático de productos pulverulentos: piensos, semillas, almidón en polvo y polvos metálicos.

Figura 1
Ejemplos de generación de cargas electrostáticas

En los líquidos inflamables y combustibles la generación se da principalmente cuando se mueven en contacto con otros materiales en procesos de flujo por conducciones y en operaciones de mezclado, vertido, bombeo, filtración o agitación. La electricidad estática se puede acumular en el propio líquido.

En el flujo de gases el fenómeno se acrecienta cuando están contaminados con óxidos metálicos o partículas sólidas y líquidas. Una corriente de gas en esas condiciones dirigida contra un objeto conductor cargará este último excepto en el caso en que esté conectado a tierra o conectado equipotencialmente con la conducción de descarga.

En operaciones de manutención y proceso con polvos y fibras, las descargas electrostáticas causantes de ignición han ocurrido entre un elemento conductor aislado y tierra. No se tiene constancia experimental que una nube de polvo haya tenido ignición por descarga electrostática provocada en su propio seno.

Una segunda forma de generación de electricidad estática puede ocurrir a partir de la carga previamente originada en la superficie de un material aislante, la cual induce la formación y distribución de cargas eléctricas en un cuerpo conductor que esté próximo. Este fenómeno físico se denomina inducción y su secuencia se observa en la figura 2 en que una persona se acerca y pasa en la proximidad de una cinta transportadora y antes de salir de su influencia, toca un elemento conductor puesto a tierra. La carga inducida más cercana es de signo contrario a la de la cinta y la más alejada es del mismo signo. Esta última queda libre después de haber descargado la carga contraria próxima al punto de contacto a un elemento conductor puesto a tierra como puede ser la bancada o estructura metálica de soporte, y puede disiparse si se proporciona una conducción a tierra. Una vez ocurrida esta eliminación, si el cuerpo se aleja, la carga remanente de igual signo al de la cinta se distribuye uniformemente por todo el cuerpo y se puede liberar posteriormente en forma de chispa al aproximarse a un conductor en contacto con tierra.

Figura 2
Generación de cargas electrostáticas en personas por inducción

También se puede transferir parte de la carga electrostática de un objeto o cuerpo cargado a otro sin carga por simple contacto.

Una forma muy particular de adquirir cargas electrostáticas ocurre si una superficie de la sustancia o material está sometido al bombardeo de iones que ceden su carga a esa superficie.

Acumulación, disipación y descarga de la electricidad estática

La fase siguiente a la generación de cargas electrostáticas es la acumulación de las mismas en los materiales no conductores y en los conductores aislados. Esta acumulación puede ocurrir en productos, equipos de proceso, tramos de tubería aislados, recipientes, personas con calzado aislante o sobre suelos que no disipan las cargas, etc. A mayor cantidad de cargas electrostáticas corresponde mayor diferencia de potencial respecto a tierra.

La disipación de las cargas electrostáticas depende de la conductividad entre el cuerpo cargado y su camino de conexión a tierra. Una buena conductividad da lugar a la rápida desaparición de las cargas electrostáticas al mismo tiempo de su generación con lo cual ni siquiera se llega a su acumulación. Para evaluar esta situación se deben conocer los siguientes parámetros:

• Resistividad o resistencia específica. Es la resistencia al paso de la corriente eléctrica presentada por una figura cúbica (1 m3 de sustancia), entre dos caras opuestas de 1 m2 y con una distancia de 1 m entre ellas, por un sólido, líquido o polvo a granel. Se expresa en Ω-m (ohmio metro). Es una constante del material.
• Conductividad. Es la inversa de la resistividad. Está especificada principalmente para líquidos. Se expresa en S/m (siemens/metro). También es una constante del material.
• Resistividad superficial. Es la resistencia al paso de la corriente por la superficie cuadrada de una muestra plana de pequeño espesor. Se expresa en Ω/■ (ohmios/cuadro u ohmios/cuadrado) y es independiente de la superficie del cuadrado. Se emplea para estimar la disipación de cargas por la superficie de un sólido.
• Resistencia superficial. Es la resistencia al paso de la corriente por la superficie de un cuerpo. Se expresa en ohmios. También permite estimar la disipación de cargas por la superficie de un sólido.
• Resistencia volumétrica. Es la resistencia total al paso de la corriente entre dos puntos de un objeto y depende del material y de su geometría (p.e. la resistencia volumétrica entre el forro donde apoya el pie y la suela de un zapato). Se mide en ohmios.
• Resistencia de fuga a tierra. Es la resistencia total al paso de la corriente entre un punto y tierra. Se mide en ohmios.

Si la generación y acumulación de cargas continúa se llega a una situación en que es inevitable la descarga electrostática. El fenómeno ocurre especialmente cuando el cuerpo cargado se acerca a un elemento conductor con un cierto grado de conductividad a tierra. En ese momento la intensidad del campo eléctrico existente en V/m sobrepasa la rigidez dieléctrica del aire y se genera una chispa visible y audible en muchos casos.

Peligros ocasionados por la electricidad estática

El peligro más destacable es el de incendio o explosión de atmósferas explosivas que son las mezclas de aire con vapores, nieblas, gases o polvos combustibles. Este peligro puede dar lugar a accidentes en las operaciones o procesos con esas materias cuando la cantidad de cargas electrostáticas origina un potencial eléctrico elevado que puede dar lugar a la descarga electrostática.

Esta descarga electrostática puede ser el foco de ignición de una atmósfera explosiva, dependiendo por su parte de la energía que posea y siempre que ésta sea igual o superior a la energía mínima de ignición de la atmósfera explosiva presente. La experiencia demuestra que chispas insignificantes poseen energía suficiente para inflamar mezclas de vapores y gases inflamables con aire. Las atmósferas explosivas de polvos combustibles necesitan descargas algo mayores. Los valores mínimos se dan para atmósferas explosivas de hidrógeno con 0,019 mJ y de disulfuro de carbono con sólo 0,009 mJ.

Las descargas más potentes son en forma de chispas y pueden ocurrir desde conductores aislados, que han tenido un proceso de carga y que se descargan hacia otro conductor cercano, en cuyo caso la capacidad de ignición viene determinada por la energía desprendida en función de la capacidad del condensador eléctrico formado por los dos conductores, su potencial y la cantidad de carga eléctrica que acumula según la conocida fórmula:

W = CV²/2 = QV/2 = Q²/(2C)

Siendo
W = energía desprendida en la descarga en J (julios)
C = capacidad en F (faradios)
V = potencial eléctrico en V (voltios)
Q = cantidad de electricidad en C (culombios)

Las descargas desde cuerpos aislantes hacia conductores se dan si la acumulación de carga electrostática es muy grande. En este caso la descarga más común toma la forma de descarga en cepillo o abanico. A mayor superficie cargada mayor peligrosidad de la posible descarga, pero inferior a la descarga en forma de chispa.

El cuerpo humano es un buen conductor, y en ambientes con humedad relativa baja, acumula cargas electrostáticas que dan lugar a un potencial de varios miles de voltios. Estas cargas se generan por contacto del calzado con suelos aislantes o en las propias operaciones de fabricación.

La ropa utilizada tiene mucha influencia en la generación de electricidad estática. Aparte del calzado se deben incluir las prendas de seda, lana, y fibra sintética, las cuales constituyen un peligro al despojarse de ellas. Esta situación es particularmente peligrosa en quirófanos, instalaciones de fabricación de explosivos y ocupaciones similares.

Desde el punto de vista de la electricidad estática las personas se consideran buenos conductores y se pueden tener descargas:
a. entre una persona en contacto con tierra y un cuerpo conductor o aislante que estén cargados
b. entre una persona cargada y un conductor conectado a tierra
c. entre una persona cargada y un conductor aislado

Se pueden tener también situaciones peligrosas particularmente en trabajos en altura, debidas a reacciones instintivas con movimientos del cuerpo humano por choque eléctrico. Esto ocurre cuando personas que se han cargado electrostáticamente provocan descargas al acercarse a tocar objetos conductores en comunicación con tierra o cuando un cuerpo cargado descarga a través de una persona. En este último caso la descarga es más energética y completa si la persona está sobre un suelo conductor con continuidad a tierra. La experiencia ha demostrado que las descargas de personas a más de 2 kV se sienten como choques eléctricos y desprenden una energía de 0,4 mJ y que las descargas a través del cuerpo humano procedentes de cuerpos cargados a elevado potencial pueden llegar a ser peligrosas. Un ejemplo de esto último puede ocurrir en operaciones de pulverizado de láminas en que existen diferencias de potencial de 10 kV entre los dos lados de la lámina y en donde se pueden dar descargas superiores a 10 J.

De lo expuesto se concluye que la electricidad estática es una fuente de ignición si se cumplen cuatro condiciones:
a. debe existir un medio efectivo de generación de cargas electrostáticas
b. debe haber un medio de acumulación de cargas separadas y que se mantenga una diferencia suficiente de potencial
c. la chispa debe poseer suficiente energía
d. la chispa debe ocurrir en una mezcla inflamable.

Existen otras situaciones que sin ser peligrosas ocasionan serios problemas en las plantas de producción, entre los que se pueden incluir:

• Atracción de polvo y suciedad
• Calidad baja y alto porcentaje de producto rechazad
• Choques eléctricos dolorosos o molestos
• Roturas y atascos del material de producción
• Compresión, apilamiento o empaquetado incorrectos
• Enganchado de hojas y películas
• Tuberías de conducción bloqueadas
• Tamices obstruidos
• Ritmos de producción bajos para evitar paradas
• Pintados y recubrimientos no distribuidos uniformemente

Medidas de prevención y protección

Teniendo en cuenta que una descarga electrostática sólo puede ser foco de ignición si está en presencia de una atmósfera inflamable, se concluye que la mejor medida de prevención es evitar la formación de mezclas explosivas. Sin embargo esta medida puede presentar dificultades de aplicación, por lo que se tendrá que evaluar el riesgo viendo si se pueden desarrollar atmósferas inflamables en la zona de posibles descargas electrostáticas. En caso afirmativo se deberán valorar las concentraciones de atmósfera inflamable según las condiciones del proceso y del ambiente y ver si tales concentraciones originan un riesgo en su proximidad y en las condiciones presentes de trabajo.

La finalidad de las medidas correctoras es proporcionar un medio por el cual las cargas electrostáticas de signos contrarios, generadas y que han quedado separadas y aisladas en dos cuerpos distintos por cualquier causa, se puedan recombinar y neutralizar sin ocasionar daños, antes de alcanzar un potencial generador de chispa o evitar espacios en que se supere la rigidez dieléctrica del medio y pueda saltar la descarga electrostática en forma de chispa.
En cuanto a la eliminación de las cargas electrostáticas existen diversas medidas, aunque no aplicables de forma universal, que se deducen de los factores que influyen en el propio proceso de generación de cargas. Esto nos lleva a la necesidad de adoptar una serie de medidas que se enumeran y comentan a continuación.

Redactores: Emilio Turmo Sierra – Ingeniero Industrial
Fuente: NTP 567- Página del Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales de España

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