Inversores de redes: Problemática y precauciones (Parte 1ª)

El corte de la alimentación eléctrica, aunque sea pasajero, es hoy en día un handicap importante, tanto para las industrias cuyo proceso de fabricación no soporta paradas, como para los edificios de gran altura, cuyos circuitos de seguridad deberían estar siempre operativos.

Así, la conmutación de fuentes normales de alimentación sobre fuentes de sustitución o de emergencia, ha pasado a ser una operación cada vez más utilizada en la distribución eléctrica, tanto pública como privada.

Los dispositivos de conmutación de fuentes se utilizan para asegurar la continuidad de la alimentación de ciertos receptores prioritarios, por motivos de seguridad de personas o para mantener un ciclo de producción. El mecanismo de conmutación actúa o por un fallo en la alimentación principal, normalmente en servicio, o por una orden voluntaria.

Estos dispositivos se usan especialmente:

·         para la alimentación:

o   de ordenadores,

o   de edificios de gran altura,

o de alumbrado y sistemas de emergencia y seguridad: balizas de aeropuertos, locales de pública concurrencia, etc.,

o   sistemas auxiliares esenciales de centrales térmicas,

o cadenas completas de fabricación cuyo proceso no soporta ninguna parada temporal de ningún elemento de la cadena (siderurgia, petroquímica, etc.),

·         en la distribución pública de MT para:

o   conmutación de líneas y de transformadores AT en centros de transformación,

o   alimentación, en doble derivación, de centros de transformación MT (U ≤ 50 kV) / BT (U ≤ 1 kV).

Los equipos que se instalan para realizar la aparamenta de conmutación son muy variados, por ejemplo, en los circuitos de potencia, los aparatos de maniobra o inversores de redes pueden ser contactores electromagnéticos o estáticos, interruptores automáticos o interruptores, y esto tanto en baja como en alta tensión.

El mando de estos aparatos puede ser:

• manual: es la disposición más elemental y económica. Requiere la intervención del operario de la explotación; la duración de paso de la fuente que falla a la fuente de sustitución o de emergencia puede ser muy larga (el operario tiene que desplazarse),
• automático: es el dispositivo más rápido y el más utilizado.

Sin embargo, el esquema de principio puede, en la mayor parte de los casos, reducirse a la alimentación normal, una alimentación de sustitución o de seguridad y un juego de barras que es el punto común de las dos alimentaciones a partir del cual se alimentan los receptores.

Figura 1: Esquema de principio de conmutación de redes

Tipos de conmutación

Normalmente se utilizan tres sistemas de conmutación de fuentes:

•  síncrona: duración de transferencia: nula (ejemplo: acoplamiento de generadores),
• con corte: duración de transferencia: 0,2 a 30 s, (ejemplo: función de conmutación normal/emergencia en BT),
• pseudo-síncrona: duración de transferencia: 100 a 300 ms, (ejemplo: reaceleración en marcha de motores asíncronos).

Toda conmutación debe estar precedida por el cumplimiento satisfactorio de un cierto número de condiciones, algunas de las cuales obligan a tomar precauciones especiales.

Problemática que presenta la conmutación y precauciones

Para realizar la instalación de un sistema de conmutación de fuentes que responda adecuadamente a las exigencias de continuidad de servicio exigidas por el usuario, ya desde la fase de diseño, hay que estudiar detenidamente ciertos aspectos para tomar precauciones especiales:

1.  la presencia de un defecto de red aguas abajo,
2. las características de la fuente de sustitución,
3. la elaboración de las órdenes de conmutación,
4. la ausencia de tensión durante el tiempo de conmutación (caso de una conmutación no síncrona),
5. el enclavamiento mecánico de los aparatos de maniobra entre sí, tanto en BT como en AT,
6. la resistencia dieléctrica de los aparatos de maniobra (en AT). 

1.- Presencia de un defecto en la red aguas abajo

Cuando un defecto situado aguas abajo del punto de conmutación ha provocado la apertura de la alimentación normal, se recomienda no conmutar las fuentes de alimentación. En este caso hay que bloquear el circuito de mando del dispositivo de conmutación, mediante una orden proveniente del sistema de protección de la red aguas abajo.

2.- Características de la fuente de sustitución

La potencia nominal, la potencia de cortocircuito, las impedancias de las conexiones y el régimen de neutro de la fuente de sustitución pueden ser muy diferentes de los de la fuente principal. Así por ejemplo, la fuente principal puede ser un transformador de 800 kVA, 400 V, 50 Hz, Icc = 20 kA y en cambio, la fuente de sustitución puede ser un grupo electrógeno de 200 kVA, Icc = 1 kA en régimen transitorio.

Por tanto, las protecciones contra los defectos entre fases y fase-tierra de la red de emergencia pueden, en ciertas condiciones, no funcionar adecuadamente cuando la red de distribución se alimenta desde la fuente de sustitución (o de emergencia).

Luego, para encontrar un sistema de protección compatible con las características eléctricas, los sistemas de explotación y de mantenimiento de las dos fuentes de alimentación, hay que hacer un estudio muy cuidadoso de las protecciones. Hay que destacar especialmente dos casos: la «reaceleración al vuelo» de varios motores y la alimentación de varios transformadores reductores cargados.

·         red de distribución con varios motores

Si la potencia de la fuente de sustitución es baja, después de la conmutación de la fuente principal sobre esta fuente de sustitución, es necesario limitar la corriente de conexión y de servicio permanente.

Para esto hay que proceder a:

• una desconexión de parte de las cargas,
• un rearranque escalonado de los motores para volver a conectarlos, si ha habido una interrupción.

Sin estas precauciones y teniendo en cuenta la menor potencia de la fuente de sustitución, las caídas de tensión serían prohibitivas y los motores no podrían acelerar (par motor menor que el par mecánico resistente),

·         conexión de varios transformadores reductores en la red de distribución aguas abajo

Cuando la conmutación se realiza en AT, hay que tener en cuenta las corrientes de conexión de los transformadores AT/BT que suelen ser del orden de 10 a 15 veces su corriente nominal. En efecto, si la fuente de sustitución es un grupo electrógeno BT, su alternador no puede proporcionar corrientes tan elevadas a tensión nominal y se comportan como si alimentara un cortocircuito. Por tanto, la tensión que proporciona durante los primeros instantes de la conmutación es muy baja, lo que no facilita en modo alguno el rearranque de los motores. Por esto es preferible desconectar todos los transformadores-reductores lado AT antes de la conmutación para después irlos conectando escalonadamente.

3.-  Elaboración de las órdenes de conmutación

Son los controles de tensión los que originan las órdenes de conmutación:

• corte de tensión de la alimentación normal (o principal) para mandar, si la fuente de sustitución es un grupo electrógeno, el arranque de su motor,
• presencia de tensión estabilizada en la salida de la fuente de sustitución, para ordenar el paso de la carga a la fuente de sustitución,
• presencia de tensión en la alimentación normal, para volver a la situación normal.

Las órdenes de conmutación

·         Para el paso de la fuente principal a la fuente de sustitución

Un corte o una bajada de tensión de la alimentación principal pueden ser:

o   permanente, a continuación de:

            -        un disparo de un aparato de protección aguas arriba,
-   una sobrecarga importante de la red que provoca una gran bajada de tensión,

            -        etc.

o   pero también transitoria, debida a:

       -      la actuación de los automatismos de reenganche, rápido o lento, de las líneas aéreas del distribuidor,

    -   un cortocircuito entre fases, eliminado normalmente por los dispositivos de protección,

          -        etc.

Por tanto, la actuación del detector de falta de tensión de la fuente principal deberá ser generalmente retardada para evitar ordenar la conmutación de fuentes cuando hay un corte o una bajada de tensión transitoria.

Además, si la fuente de sustitución está constituida por un grupo electrógeno, cuya orden de arranque se da precisamente cuando no está la tensión principal, hay que esperar a que se estabilice la tensión de grupo antes de dar la orden de conmutación (algunos segundos).

·         Para el paso de la fuente de sustitución a la fuente principal

El retorno de la tensión de la fuente principal puede estar precedido por intentos de reenvío de tensión a la línea principal, necesarios para:

• localizar un defecto,
• realizar un bucle de fuentes después de un incidente,
• efectuar ensayos después de una reparación o modificación de la línea principal.

La acción del detector de presencia de retorno de red de la fuente principal tendrá que tener una temporización muy larga (algunas decenas de segundo a varios minutos).

Nota:

a) los dispositivos que permiten pasar de la fuente principal a la fuente de sustitución, sin retorno automático a la fuente principal después de la reaparición de la tensión de ésta, suelen llamarse conmutadores,

b) los dispositivos con retorno automático a la fuente principal suelen llamarse inversores normal-socorro.

Dificultades en la detección de la falta de tensión en la alimentación normal

·         mantenimiento de la tensión en la red de distribución al producirse un corte en la red de alimentación

Al cortarse la alimentación, la tensión en la red de distribución puede ser mantenida por:

• la tensión residual que «devuelven» los motores asíncronos, en proceso de ralentización durante un tiempo aproximado de 0,3 a 1 s,
• la tensión inducida en los bornes de los motores síncronos en proceso de ralentización,
• la tensión debida a la descarga de los condensadores que pueda haber conectados a esta red.

Al mantenerse la tensión por los motivos citados, no es posible efectuar una conmutación rápida de fuentes, puesto que los dispositivos convencionales simples, como los relés voltimétricos de tensión mínima, no pueden detectar rápida y eficazmente la ausencia de la tensión principal.

• cortes de tensión transitorios en los que no deben actuar los dispositivos de conmutación

Estos cortes los origina la actuación de los automatismos de red, como son los reenganches rápidos o lentos, el cambio o conmutación de transformadores o de líneas AT en los centros de transformación AT, etc.

En las redes BT sucede lo mismo, debido a caídas de tensión excesivas provocadas por sobreintensidades transitorias (defecto entre fases o fase-tierra eliminado por las protecciones selectivas de la red, arranque de grandes motores, etc.).

•  elección y cableado de los detectores, con:

            o   un solo relé monofásico

Generalmente, cuando hay un único relé monofásico de detección, se conecta entre dos fases de la entrada normal. En este caso, puede producirse un fallo de la otra fase sin que lo «vea» el relé; por tanto, no habría conmutación y la alimentación de los receptores sería defectuosa.

Para que este sistema sea satisfactorio, no ha de ser posible que la alimentación trifásica pueda funcionar inadecuadamente con sólo dos de las fases, de ahí el empleo de protecciones, como interruptores automáticos tripolares o fusibles con contacto auxiliar de fusión que den una orden de corte omnipolar.

Si no, para paliar este inconveniente, es necesario instalar o dos relés conectados entre dos fases diferentes o tres relés conectados en triángulo. o tres relés monofásicos

Sin embargo, este último montaje (tres relés conectados en triángulo) puede ser peligroso si los relés tienen su umbral ajustado entre el 20 y el 30% de la tensión nominal. En efecto, cuando se produce el corte de una sola fase, los dos relés que tienen un borne conectado a esta fase quedan en serie y son alimentados por las otras dos fases sanas. La tensión en bornes de estos dos relés pasa a ser la mitad de su tensión nominal, tensión superior al valor de ajuste citado (0,2 Un). Por tanto no se da ninguna orden de conmutación. Por este motivo es preferible utilizar tres relés conectados en estrella o tres relés conectados en triángulo pero ajustados al 60% de Un, o, mejor todavía, un relé trifásico de tensión con campo giratorio.

o   un único relé voltimétrico trifásico

Si la red de distribución tiene conectados motores trifásicos asíncronos, este tipo de relés no permite la detección del fallo de una fase de alimentación en el juego de barras,puesto que estos motores proporcionan, precisamente al juego de barras, la tensión de la fase cortada.

Por tanto, es necesario conectar un relé amperimétrico, trifásico de campo giratorio, en la entrada normal.

•  montaje de los detectores

Los relés instantáneos electromagnéticos son normalmente sensibles a los choques mecánicos que hacen rebotar sus contactos, originando así la aparición de órdenes de conmutación erróneas. Estos casos se presentan normalmente en el montaje en puerta, cuya instalación tiene que ser por tanto muy cuidadosa para evitar todas las vibraciones que podrían ser susceptibles de perturbar al equipo.

4.- Corte de tensión durante una conmutación no síncrona

Este corte de tensión, aunque transitorio, es generalmente suficiente para hacer caer todos los contactores cuyas bobinas se alimenten del circuito de potencia.

El dispositivo de conmutación automática puede perder mucha de su eficacia puesto que los receptores mandados por estos contactores, ahora caídos, ya no están alimentados. Por el contrario, se permite un rearranque manual escalonado de los motores mediante los pulsadores de «marcha».

Para evitar tener que hacer esta reconexión manual, es preferible alimentar las bobinas de los contadores o con una fuente auxiliar segura (batería o grupo giratorio con volante de inercia) o con un relé temporizado a la reconexión, o incluso, a partir del circuito de potencia, utilizando un rectificador y un condensador conectados en paralelo con la bobina. En este caso, la energía necesaria para mantener el contactor en posición cerrado durante el breve corte de tensión, la suministra el condensador. Pero, para que el valor de la capacidad del condensador «reserva» no tenga que ser demasiado elevado, la duración del corte de tensión debe de ser muy breve (algunos centenares de milisegundos) y el consumo de la bobina, muy bajo.

Con todo, téngase presente que la instalación de estas soluciones obliga a que la fuente de sustitución pueda soportar el conjunto de los receptores y, en especial, todos los motores en situación de «rearranque al vuelo».

Nota: Puesto que al abrir el circuito de mando de una bobina, aparecen importantes tensiones inducidas en sus bornes, el rectificador y el condensador deben soportar estas tensiones.

5.- Enclavamiento mecánico entre los aparatos de maniobra de BT y entre los de AT

En los dispositivos de conmutación síncrona, los dos aparatos de maniobra (fuente principal y de sustitución) pueden estar simultáneamente cerrados. Pero, en los otros sistemas de conmutación, debe haber, en todas las instalaciones, un enclavamiento mecánico de los aparatos entre sí y de sus circuitos eléctricos para impedir la alimentación simultánea de los circuitos de mando de los dos aparatos. Se recomienda esta precaución en todas las instalaciones y normalmente lo exigen las compañías suministradoras.

6.- Resistencia dieléctrica de los aparatos de maniobra AT

La resistencia dieléctrica de los aparatos de maniobra de la fuente de reemplazo empleados en los sistemas de conmutación síncrona y pseudosíncrona deben estar especialmente adaptados. En efecto, durante el tiempo de espera de las condiciones de acoplamiento, los polos de estos aparatos pueden estar sometidos, entre la entrada y la salida, a dos veces la tensión simple de la red (tensión de las dos fases a conectar en oposición de fase).

Continua en: Inversores de redes: Conmutación síncrona (parte 2ª)
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