Calidad de Energía en un Mundo Digital - PARTE II

Calidad de Energía en un Mundo Digital

 

PARTE II: Sobretensiones Transitorias

Por: Ing. Guillermo Aglietto | www.agliettoingenieria.com.ar

Contacto: guille@agliettoingenieria.com.ar

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Intro

En ésta segunda entrega, seguimos transitando la Pirámide de Calidad de Energía, intentando encontrar la mejor manera de enfocar esfuerzos (que terminaran siendo recursos económicos para el contador de la empresa) , para lograr (proporcionalmente) el mas alto beneficio (en costos directos e indirectos), y llegando a este punto, me gustaría citar a dos personas, al Ingeniero José Alberto Aglietto quien desde muy chico, sembró en mi la inquietud sobre la evolución de la Energía, y su calidad por supuesto, con la incorporación de equipos electrónicos "a granel" (y como todo lo que pasa en esta parte del mundo: autos deportivos en caminos de ripio, para no meternos en política). Y a una persona con quien disfruto charlar y trabajar (aunque estamos algo lejos) el Ingeniero Ricardo Grunauer; algunas frases y explicaciones citaré de ellos, y otras no harán falta, porque ya las hice propias.

Definición

Recomiendo buscar en ingles definiciones y normas (hasta imágenes), pero básicamente un transciente eléctrico es un exceso temporal de voltaje (o corriente) en un circuito eléctrico que ah sido alterado. Son de muy poca duración, del orden los milisengundos y nanosegundos, y están presentes en TODO tipo de instalación  (potencia, datos, comunicación, comando).

Los sistemas de distribución están bajo CONSTANTE ataque de muchos tipos de perturbaciones en la alimentación, distribuyendo estas perturbaciones al resto de las instalaciones.

Los costos por maquinaria y líneas de producción paradas son incalculables, y se suma el cambio de componentes, reparaciones, etc. El problema mayor, es que desde el diseño primitivo de las instalaciones, se descuida este concepto. Hay un costo que necesitamos nombrar, y es el estratégico, el cual es incalculable y está representado por los datos almacenados.

Se puede encontrar en la web diversos estudios y pruebas realizadas, peo coinciden en general en que el 80% de la generación de transcientes que bombardean una instalación, son generados internamente. Pienso en esto, y me imagino la calefacción o ventilación, la on-and-off de grandes impresoras o fotocopiadoras (conmutaciones), los bancos de capacitores, y prácticamente todo equipo industrial en mayor o menor medida causa eventos transitorios de tensión.

El efecto más destructivo de este fenómeno, es sin duda el efecto acumulativo de estas sobretensiones de corta duración, siendo los depredadores principales de semiconductores y plaquetas en el ecosistema de la manufactura y el comercio.

Que el 80% de las perturbaciones sean internas, no es justificativo para olvidarse de lo externo, ya que nadie puede olvidarse de ese aparato electrónico tan caro, derretido por un rayo directo y que la compañía distribuidora nunca reconoció. La IEEE reconoce 3 categorías de protección para las cuales especifica normas y ensayos, y las cuales hay que tener en cuenta para proyectar y elegir un dispositivo de protección.

Las imágenes arriba, son las dos formas de expresar la ¨localización de parámetros¨ según IEC (primer imagen) e IEEE (segunda imagen). Cada categoría importa, porque de ellas dependerán las prestaciones y ensayos para los equipos.

Cuando nos encontramos con un sistema trifásico que se supone equilibrado la tensión de fase coincide con la de tierra siendo: Uf = Ul / 1,73. Al ser una sobretensión una elevación por sobre el nivel de cresta en un determinado tiempo, y el transciente es un tiempo de microsegundos, es probable que la mayoría de los instrumentos utilizados para ver formas de onda, no se den cuenta sobre la aparición de este fenómeno y lo dejemos de lado:

La figura muestra un transitorio por el apagado de una fuente inductiva, y aunque son de baja energía por su corta duración, suelen ser muy destructivos. Esto no es bueno evidentemente si recordamos la pirámide de la primer entrega

Aunque en argentina no está regulado, Europa ya posee pruebas con transitorios en aparatos electrónicos según la EN-61000 ¨ European standard for Fast Transient testing¨ o su correspondiente en IEEE C37.90.

Actividad Rural

Es la única actividad que particularizo, porque en primer lugar es la que no encontramos en Internet y en segundo lugar por ser una actividad muy particular, dado la estacionalidad de consumos durante el día, y está severamente desatendida por su vertiginoso desarrollo de electrónica. En el presente, es necesaria una simple mirada para identificar la presencia de electrónica en dosificadoras, equipos de frío, motores para norias, arranques suaves, e incluso la electrónica de las viviendas. Muchísimo más latente es el riesgo de descargas atmosféricas directa o indirectamente que crean transitorios de gran valor que viajan por toda la línea.

Se suma a este efecto de origen externo, la actuación de reconectadores, los cuales traen consigo inconvenientes transitorios gravísimos.

El año pasado, terminando mi postgrado en líneas de alta tensión y centros de transformación, pude entender lo que hacía casi por intuición, pude ver realmente con claridad la necesidad de empezar por lo esencial. Así en la ingeniería como en el resto de las profesiones, hay que establecer un orden, y en las empresas hay muchas cosas importantes, otras cosas urgentes, y otras (como éstas que desarrollamos) que son: esenciales. Si lo aprendemos, luego podemos actuar en consecuencia.

Es muy común cuando recorremos los campos de Santa Fe encontrarse con productores que desconociendo sus problemas internos buscan respuestas en cooperativas y empresas distribuidoras de energía. No podemos negar que en ciertas zonas los problemas existen, pero también es cierto que a medida que las extensiones de tierra son mayores y al cantidad de usuarios menores, el equilibrio económico es más difícil de encontrar a diferencia de una zona urbanizada, por ejemplo.

Causas

Hay que tener bien en claro que tanto el entorno como nuestro medio generan, como lo identifica el usuario ¨ruido, lluvia, bajones…¨. Necesitamos saber interpretar lo que nos están tratando de transmitir, pasar la sensación de un usuario y su terminología a un problema de ingeniería específico,  es algo sumamente necesario, esto es como el médico y el paciente, más acorde será la solución si mejor interpreto los síntomas de nuestro paciente. En la ingeniería como en la medicina, es importante encontrar un buen médico para nuestra empresa.

Origen externo

En Media Tensión es común este fenómeno en conductores de fase alcanzados por descargas atmosféricas, o bien, en sistemas con cable de guardia o de protección (es un error creer que se evitan las sobretensiones, ya que a través de un ¨arco inverso¨ puede crearse en las fases una sobretensión a partir de la generada por el rayo sobre el conductor de protección). La propagación encuentra usuarios, subestaciones transformadoras, aisladores débiles o partes de la estructura con un BIL bajo.

Además, aunque no exista el rayo directo, se originan efectos transitorios con la creación de inducciones magnéticas, cargas electroestáticas, como las que puede generar el viento al frotar los conductores. Las nubes cargadas estáticamente hacen la vez de un capacitor que interactúa con la línea cargándola opuestamente y descargándola bruscamente, al desaparecer la carga de la nube, esa carga debe ser equilibrada por alguien, y ahí es donde aparecen aislaciones de motores perforadas.

Aperturas de aparatos de maniobras, o vibraciones de línea, o contactos defectuosos en llaves, entrada en servicio de grupos de transformadores o de generadores, capacitores, el restablecimiento de corriente en ciertos circuitos (durante una interrupción), interrupciones bruscas de cargas, sin olvidarnos de los usuarios que comparten nuestra red, en el barrio residencial o peor aún en un parque industrial, también están intercambiando transitorios.

Sin entrar en detalles, las sobretensiones de origen externo tienen una amplitud que no depende de la tensión nominal del sistema. Además solo se ve limitado el valor de la sobretensión por el efecto corona o descargas en puntos particulares de aisladores por ejemplo, claro está, siempre y cuando no haya descargadores de MT periódicamente.

Origen Interno

Finalmente, en el momento de sentir que sus equipos duran menos de lo esperado, se queman componentes y muchas veces no hay a quien echarle la culpa, es un buen momento para consultar a un especialista.

Internamente todo aparato electrónico, fuente de conmutación, equipos que tengan algún tipo de arco, son fuentes de transitorios, hasta lámparas de bajo consumo. La conmutación es un tipo muy importante de fuente de transitorio y se da para cargas como interrumpir la corriente de magnetización de un transformador o interrumpir la corriente de arranque de un motor de un ascensor por ejemplo (conmutación inductiva) o conmutación de bancos para corrección de FP (conmutación capacitiva). En la bibliografía vamos a encontrar fuentes ESD, pero internamente lo descartaría o particularmente lo considero despreciable.

La energía puesta en juego:

E = ∫ [Vc (t) . i (t)] dt ; entre 0 y t

Donde:

E = Energía transitoria,

i = Corriente pico transitoria,

Vc = Tensión residual,

t = duración del impulso transitorio

A diferencia de las de origen externo, las sobretensiones internas sí están relacionadas con la tensión nominal del sistema. A su vez, el coeficiente de esta relación depende también de la Puesta a tierra analizada en la primer entrega.

Las fuentes pueden ser continuas, y del orden de entre 250 y 1000V (DC drivers, VSDs, herramientas portátiles) y pueden ser fuentes momentáneas, del rango de 250 a 3000V (suicheo de cualquier carga inductiva, y es descripto por:  e = L × di/dt, arcos de soldadura, inducción entre energía y datos, contactores actuando)

Capacitores

Conmutación de un capacitor, normalmente llegan a 134% la Un, y al producirse puede pasar por los transformadores de distribución y contaminar todos los usuarios. En este caso la energía con la que llega dependerá de la relación de transformador y de la características del usuario final.

Los usuarios no notaran parpadeo de luces o síntomas más comunes en otro tipo de cargas, y se utilizan separadores de cierre sincrónicos, o resistencias especiales, sabiendo que éstas no eliminan los transitorios. Los filtros de armónicos son un punto a analizar en este caso, y será parte de la tercer entrega de este artículo.

Efectos

Ya el lector se estará imaginando ¨ruptura¨, ¨costo por cambio y mantenimiento¨, ¨tiempo improductivo¨, y es cierto, salvo que sumamos algo que no nombramos hasta el momento: pérdida de datos en memorias, bloqueos intermitentes, degradación de información entre otros. Finalmente, podemos resumir en tres efectos bien identificables:

·      Fallas leves o trastornos (errores pequeños de datos sin ruptura, perdida de Info).

·      Degradación de equipamiento (acortamiento de la vida útil).

·      Ruptura o fundición de la aislación (falla grave de equipos).

 

Mitigación

Ahora bien, dijimos que hay que saber qué elegir para enfrentar estos problemas. Hay equipos que pueden funcionar bien en una PC hogareña y otras aplicaciones que no justifique una inversión excesiva. Pero al ingresar a los ambientes industriales, comercios medianos y grandes, estudios contables, lugares donde las cargas no lineales son muchas y comunes, donde hay servidores o centrales telefónicas, el problema empieza a complicarse, y la pregunta ahora es: hasta donde quiero arriesgar mi equipamiento, y los costos asociados que implica, para ahorrar en inversión inicial. Y la respuesta evidentemente depende de las expectativas del propietario, de lo estratégico del equipo y de hasta la ubicación geográfica del local o industria.

Para adquirir un equipo que puede  derivar a tierra todo o parte de la energía excedente, necesitamos saber ciertas características que hacen su correcta aplicación. Por ejemplo, en el hogar la variedad puede ser amplia, porque los equipos estratégicos o costosos son pocos, si los hay. Pero a medida que la utilización de la tecnología es enfocada a la producción, las características empiezan a ser más específicas, y se puede pensar en exigir aparatos con tiempo de respuesta < 1 ηs, protección en 10 modos, normativa internacional de cumplimiento (o nacional cuando la haya), entre otros. Hoy contamos con equipos que nos dan la tranquilidad y la disipación que no teníamos hace unos años atrás, en los tiempos donde recuerdo instalar equipos con baristores o tubos de gas simplemente.

Particularmente los nuevos supresores cuentan con un sistema de seguimiento de onda sinusoidal, y en este punto me atrevo a citar las explicaciones del Ing. Grunauer. El dice que los DPS son dispositivos que ante una sobretensión transitoria dejarán pasar una tensión residual hacia la carga:

 

El rastreo de la onda senoidal permitirá un mejor desempeño para los eventos que puedan producir falsos ceros o unos.

 

Para que pueda asegurarse que un Dispositivo de protección cuenta con rastreo de onda senoidal y no un simple filtro, al ensayar con la onda oscilatoria amortiguada de 100 kHZ (ringwave), aplicando 2 kV y 67 A (corresponde a la categoría A1 de la ANSI/IEEE), la tensión residual deberá estar por debajo del pico de la onda senoidal. Es muy común afrontar costosas alternativas, que no son soluciones al problema de las “colgadas inexplicables” o “pérdidas de programación”, como por ejemplo UPSs, intervenciones en los sistemas de puesta a tierra, transformadores de aislación, etc.

 

Esta explicación se ve expresado en las imágenes a continuación, representa una característica muy importante de algunos supresores.

 

En muchas oportunidades hemos realizado mediciones de parámetros de calidad de energía en baja tensión y en este sentido gran parte de la solución está en el conocimiento sobre el proceso realizado. Saber que corrientes y potencias se manejan, características de la maquinaria. Así, si en el proceso se utiliza una soldadura por punto para uniones en chapa, el análisis será enfocado de manera diferente que si se utilizan impresoras láser para el tren de empaquetado…

Análisis de inversión de calidad de energía

Las ventajas de este tipo de tecnología puede ser evaluada calculando las mejoras que va a ofrecer en el rendimiento de la instalación existente, directamente en la producción e indirectamente el en mantenimiento. Es por ello, que muchas veces se eligen dispositivos con muchos años de garantía, para que este cálculo responda verdaderamente a las situaciones futuras. El proceso de evaluación puede ser:

·       Describimos y si es posible calculamos el rendimiento de la calidad existente.

·       Calcular o conseguir los costos que se derivan de la mala calidad.

·       Soluciones posibles, y evidentemente costos de la solución.

·       Por último comparamos las dos situaciones y así, justificaremos o no, la inversión.

 

Finalmente

Preguntar por teléfono a nuestro Ingeniero si una máquina necesita protección, o qué equipo colocar para proveerle a mi instalación la calidad de energía necesaria, es un error habitual, que nosotros mismos alimentamos. En este sentido, dificulto que alguien pregunte al médico el remedio para alguna enfermedad en particular sin el análisis previo correspondiente (y un canon asociado), el médico como es de su poner, necesitará analizar y realizar el informe técnico correspondiente, en efecto, ninguno de nosotros juzgará esto. Por lo tanto propongo: respetar nuestra profesión y mantener la seriedad laboral, brindando soluciones posterior a los análisis que correspondan a cada caso, haciendo extensivo por supuesto a las demás especialidades de nuestra Ingenieria.  

 

ver parte 3: UPS

ver parte 4: armónicos

Ing. Guillermo Aglietto (Argentina) | AGLIETTO INGENIERIA

 

 

 

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