Alto voltaje

Las líneas de transmisión y distribución de energía eléctrica suelen utilizar voltajes de entre decenas y cientos de kilovoltios. Estas líneas pueden ser aéreas o subterráneas. El alto voltaje se utiliza en la distribución de energía para reducir las pérdidas óhmicas al transportar electricidad a larga distancia.

Se utiliza en la producción de semiconductores para depositar capas delgadas de películas metálicas sobre la superficie de la oblea mediante pulverización catódica. También se emplea en el flocado electrostático para recubrir objetos con pequeñas fibras que se mantienen de canto.

Históricamente, las chispas se utilizaron como una forma primitiva de transmisión de radio. De manera similar, se cree que las descargas eléctricas en la atmósfera de Júpiter son la fuente de las potentes emisiones de radiofrecuencia del planeta . ^{[ 10 ]}

Se han utilizado altos voltajes en experimentos y descubrimientos trascendentales de química y física de partículas . Los arcos eléctricos se emplearon en el aislamiento y descubrimiento del argón del aire atmosférico. Las bobinas de inducción alimentaban los primeros tubos de rayos X. Moseley utilizó un tubo de rayos X para determinar el número atómico de una selección de elementos metálicos mediante el espectro emitido al usarse como ánodos. El alto voltaje se utiliza para generar haces de electrones para microscopía . Cockcroft y Walton inventaron el multiplicador de voltaje para transmutar átomos de litio en óxido de litio en helio mediante la aceleración de átomos de hidrógeno.

El contacto o la proximidad a los conductores de línea presenta peligro de electrocución . El contacto con cables aéreos puede provocar lesiones o la muerte. Escaleras metálicas, equipos agrícolas, mástiles de barcos, maquinaria de construcción, antenas aéreas y objetos similares suelen estar involucrados en contactos fatales con cables aéreos. Las personas no autorizadas que trepan a torres de alta tensión o aparatos eléctricos también son víctimas frecuentes de electrocución. ^{[ 11 ]} A tensiones de transmisión muy altas, incluso una proximidad cercana puede ser peligrosa, ya que la alta tensión puede generar un arco eléctrico a través de un espacio de aire significativo.

Excavar en un cable enterrado también puede ser peligroso para los trabajadores en una excavación. El equipo de excavación (ya sea manual o mecánico) que entra en contacto con un cable enterrado puede energizar las tuberías o el suelo de la zona, provocando la electrocución de los trabajadores cercanos. Una falla en una línea de transmisión de alta tensión o en una subestación puede generar altas corrientes que fluyen por la superficie terrestre, produciendo un aumento del potencial de tierra que también representa un peligro de descarga eléctrica.

Para líneas de transmisión de alta y extra alta tensión, personal especialmente capacitado utiliza técnicas de " línea viva " para permitir el contacto directo con equipos energizados. En este caso, el trabajador está conectado eléctricamente a la línea de alta tensión , pero completamente aislado de tierra, de modo que se encuentra al mismo potencial eléctrico que la línea. Dado que la capacitación para estas operaciones es extensa y aún presenta riesgos para el personal, solo las líneas de transmisión de vital importancia se someten a mantenimiento mientras están energizadas. Fuera de estas situaciones debidamente diseñadas, el aislamiento de tierra no garantiza que no fluya corriente a tierra, ya que pueden producirse descargas a tierra o arcos eléctricos de forma inesperada, y las corrientes de alta frecuencia pueden quemar incluso a una persona sin conexión a tierra. Tocar una antena transmisora ​​es peligroso por esta razón, y una bobina de Tesla de alta frecuencia puede mantener una chispa con un solo extremo.

Los equipos de protección en las líneas de transmisión de alta tensión normalmente evitan la formación de arcos eléctricos no deseados o garantizan su extinción en cuestión de milisegundos. Los aparatos eléctricos que interrumpen los circuitos de alta tensión están diseñados para dirigir de forma segura el arco resultante, de modo que se disipe sin causar daños. Los interruptores de alta tensión _suelen utilizar un chorro de aire a alta presión, un gas dieléctrico especial (como el SF6 a presión) o la inmersión en aceite mineral para extinguir el arco cuando se interrumpe el circuito de alta tensión.

El cableado de equipos como máquinas de rayos X y láseres requiere especial cuidado. La sección de alta tensión se mantiene físicamente separada de la de baja tensión para reducir la posibilidad de que se forme un arco eléctrico entre ambas. Para evitar pérdidas por efecto corona, los conductores deben ser lo más cortos posible y estar libres de puntas afiladas. Si están aislados, el revestimiento plástico debe estar libre de burbujas de aire, ya que estas provocan descargas coronales en su interior.

Un alto voltaje no es necesariamente peligroso si no puede suministrar una corriente sustancial . A pesar de que las máquinas electrostáticas, como los generadores Van de Graaff y las máquinas Wimshurst, producen voltajes cercanos a un millón de voltios, la descarga es breve. Esto se debe a que la corriente es baja, es decir, solo se mueven relativamente pocos electrones. Estos dispositivos tienen una cantidad limitada de energía almacenada, por lo que la corriente promedio producida es baja y generalmente dura poco tiempo, con impulsos que alcanzan picos en el  rango de 1 A durante un nanosegundo. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

La descarga puede implicar un voltaje extremadamente alto durante periodos muy cortos, pero para producir fibrilación cardíaca, una fuente de alimentación eléctrica debe generar una corriente significativa en el músculo cardíaco que se mantenga durante muchos milisegundos y debe depositar una energía total del orden de los milijulios o superior. Por lo tanto, una corriente relativamente alta, superior a unos cincuenta voltios, puede tener consecuencias médicas graves y ser potencialmente mortal.

Durante la descarga, estas máquinas aplican un alto voltaje al cuerpo durante tan solo una millonésima de segundo o menos. Por lo tanto, se aplica una corriente baja durante un tiempo muy breve, y la cantidad de electrones involucrados es muy pequeña.

Aunque las bobinas de Tesla se parecen superficialmente a los generadores de Van de Graaff, no son máquinas electrostáticas y pueden producir corrientes de radiofrecuencia significativas de forma continua. La corriente suministrada al cuerpo humano será relativamente constante mientras se mantenga el contacto, a diferencia de las máquinas electrostáticas, que generalmente tardan más en acumular carga, y el voltaje será mucho mayor que el voltaje de ruptura de la piel humana. En consecuencia, la salida de una bobina de Tesla puede ser peligrosa o incluso mortal.

Dependiendo de la corriente de cortocircuito prevista en un cuadro de distribución , existe un riesgo para el personal de mantenimiento y operación debido a la posibilidad de un arco eléctrico de alta intensidad . La temperatura máxima de un arco puede superar los 10 000 kelvin , y el calor radiante, el aire caliente en expansión y la vaporización explosiva del metal y el material aislante pueden causar lesiones graves a los trabajadores sin protección. Estos cuadros de distribución y fuentes de arco de alta energía son comunes en subestaciones y centrales eléctricas, plantas industriales y grandes edificios comerciales. En Estados Unidos, la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA ) ha publicado la norma NFPA 70E para evaluar y calcular el riesgo de arco eléctrico , y establece las normas para la ropa de protección requerida para los trabajadores eléctricos expuestos a dichos riesgos en el lugar de trabajo.

Incluso voltajes insuficientes para electrocutar el aire pueden suministrar la energía suficiente para inflamar atmósferas que contengan gases o vapores inflamables, o polvo en suspensión. Por ejemplo, el hidrógeno , el gas natural o el vapor de gasolina mezclado con aire pueden encenderse mediante chispas producidas por aparatos eléctricos. Ejemplos de instalaciones industriales con áreas peligrosas son las refinerías petroquímicas , las plantas químicas , los elevadores de grano y las minas de carbón .

Las medidas adoptadas para prevenir este tipo de explosiones incluyen:

• Seguridad intrínseca mediante el uso de aparatos diseñados para no acumular suficiente energía eléctrica almacenada como para provocar una explosión.
• Mayor seguridad, que se aplica a los dispositivos que utilizan medidas como carcasas llenas de aceite para evitar chispas.
• Las carcasas a prueba de explosiones (a prueba de llamas) están diseñadas para que una explosión dentro de la carcasa no pueda escapar e incendiar una atmósfera explosiva circundante (esta designación no implica que el aparato pueda sobrevivir a una explosión interna o externa).

En los últimos años, las normas de protección contra riesgos de explosión se han uniformizado entre las prácticas europeas y norteamericanas. El sistema de clasificación por zonas se utiliza ahora, con algunas modificaciones, en el Código Eléctrico Nacional de EE. UU. y en el Código Eléctrico Canadiense . Los aparatos de seguridad intrínseca están ahora homologados para su uso en aplicaciones norteamericanas.

Las descargas eléctricas, incluidas las descargas parciales y la corona , pueden producir pequeñas cantidades de gases tóxicos que, en un espacio confinado, pueden representar un riesgo para la salud. Estos gases incluyen oxidantes como el ozono y diversos óxidos de nitrógeno . Se identifican fácilmente por su olor o color característicos, lo que permite minimizar el tiempo de contacto. El óxido nítrico es invisible, pero tiene un olor dulce. Se oxida a dióxido de nitrógeno en pocos minutos, el cual tiene un color amarillo o marrón rojizo según su concentración y huele a cloro, como el de una piscina. El ozono es invisible, pero tiene un olor penetrante, similar al del aire después de una tormenta eléctrica. Es una especie de corta duración y la mitad se descompone en O₂.₂ en un día a temperaturas y presión atmosférica normales.

Los peligros que presentan los rayos incluyen impactos directos sobre personas o propiedades. Sin embargo, también pueden generar peligrosos gradientes de voltaje en la tierra, así como un pulso electromagnético , y cargar objetos metálicos extensos, como cables telefónicos , cercas y tuberías, con voltajes peligrosos que pueden propagarse a muchos kilómetros del lugar del impacto. Si bien muchos de estos objetos no son conductores normalmente, un voltaje muy alto puede provocar la ruptura dieléctrica de dichos aislantes, convirtiéndolos en conductores. Estos potenciales transferidos son peligrosos para las personas, el ganado y los aparatos electrónicos. Los rayos también provocan incendios y explosiones, que resultan en muertes, lesiones y daños materiales. Por ejemplo, cada año en Norteamérica, miles de incendios forestales son causados ​​por rayos.

Las medidas para controlar los rayos pueden mitigar el peligro; estas incluyen pararrayos , cables de protección y la conexión a tierra de las partes eléctricas y estructurales de los edificios para formar un cerramiento continuo.