Seguridad de funcionamiento en cuadros eléctricos de Baja Tensión (Parte 1ª)

La disminución de la aparición de fallos, y del tiempo de interrupción que de ello se deriva, mejoran la seguridad y la productividad de las empresas.

Además, actualmente los usuarios reclaman un nivel de seguridad «a la medida», en resumen, una instalación adaptada a sus necesidades. La noción de optimización es, pues, capital y se trata de responder al justo nivel exigido y al mejor precio.

Para hacer posible esta adecuación, los fabricantes, los instaladores y los proyectistas deben dominar los parámetros de seguridad de funcionamiento de una instalación de baja tensión.

Características de la garantía de funcionamiento

·         Magnitudes de la garantía de funcionamiento

Las nociones de garantía de funcionamiento (la fiabilidad, la mantenibilidad, la               disponibilidad y la seguridad) no son independientes las unas de las otras (figura 1).

1.     La fiabilidad es la capacidad de un sistema de funcionar correctamente el mayor tiempo posible. El MTTF (Mean Time To Failure) tiempo medio de buen funcionamiento antes del primer fallo es un modo de cuantificar la fiabilidad.

2.     La disponibilidad es el porcentaje de tiempo durante el que el sistema funciona correctamente. El MTBF (Mean Time Between Failure) tiempo medio entre dos fallos de un sistema reparable es un medio de cuantificar la disponibilidad.

3.     La mantenibilidad es la aptitud de un sistema para ser reparado rápidamente. El MTTR (Mean Time To Repair) duración media de reparación es un medio de cuantificar la mantenibilidad.

4.       La seguridad es la capacidad de un sistema para no poner en peligro a las personas.

·         Seguridad de funcionamiento aplicada a los conjuntos o instalaciones.

Un estudio de garantía de funcionamiento tiene los 4 pasos siguientes (figura 2):

a)      expresión y análisis de las necesidades.

               

Búsqueda de criterios de garantía representativos de las preocupaciones del cliente (disponibilidad, seguridad...), de los puntos de la red donde estos criterios se analizarán (puntos estratégicos de la red).

b)      análisis funcional.

Descripción del objeto de la red y sus elementos constituyentes.

c)       análisis de disfunciones:

– búsqueda de los tipos de fallo de cada uno de los elementos que compone la red y sus consecuencias en el sistema (análisis de los modos de fallo).

Figura 1: Nociones de fiabilidad y disponibilidad

Figura 2: Fases cronológicas de la realización de un estudio

sobre garantía de funcionamiento

Figura 3: Ejemplo de red de distribución eléctrica

– modelización de las disfunciones del sistema.

Un modelo es una representación gráfica de la combinatoria de fallos posibles del sistema que lleva a descubrir los defectos de funcionamiento que interesan;

a)      Análisis de la arquitectura a través de un análisis cualitativo y/o cuantitativo:

– búsqueda de los puntos débiles de la red,

– búsqueda del impacto de la política de mantenimiento sobre las prestaciones del sistema,

– estudio del compromiso coste/prestaciones para poder hacer un estudio comparativo de la arquitectura y la política de mantenimiento.

En función de las expectativas del cliente y de los datos de entrada disponibles, se pueden hacer dos tipos de análisis:

– estudio rápido o primera aproximación es un estudio pesimista que permite hacer rápidamente elecciones técnicas y comparar las arquitecturas,

– estudio detallado es un estudio que permite cuantificar la red a analizar, con valores menos pesimistas y más próximos a las prestaciones reales.

·         Ejemplo de análisis cuantitativo de una arquitectura.

□     En la instalación a considerar, lo fundamental es la disponibilidad de la energía eléctrica de utilización en U3 de la figura 3.

□     Los análisis de disfuncionamiento se hacen elaborando un árbol de fallos que representa gráficamente los fallos que llevan a un suceso no deseable, la ausencia de energía en U3 (figura 4).

Los defectos que llevan a un suceso indeseable se pueden clasificar en cuatro grupos:

– no-disponibilidad de la entrada. Cada entrada puede alimentar sólo el conjunto de la red de BT del que depende la utilización. El grupo electrógeno está ahí para suplir los cortes de red del distribuidor;

– no-disponibilidad entre el juego de barras principal B1 y la utilización. Agrupa el conjunto de no-disponibilidades de los elementos que se encuentran en la línea aguas arriba, desde el juego de barras principal hasta el punto U1;

– no-disponibilidad debida a desconexiones por cortocircuito. Se llama desconexión por cortocircuito a todo cortocircuito que se produzca en una salida paralela a la salida considerada, y cuya interrupción, realizada en un nivel superior a estas salidas, lleva a quedarse sin tensión.

Es pues necesario sumar todas las probabilidades de cortocircuito, descendiendo por cada una de las derivaciones de salida paralelas, hasta el primer órgano de protección.

Aguas abajo, una desconexión por cortocircuito sólo es posible si se produce un cortocircuito y un fallo de la protección, lo que corresponde a una probabilidad despreciable.

– no-disponibilidad por «mantenimiento fijo». El mantenimiento fijo es el término empleado para indicar que el tiempo de reparación depende del tipo de instalación (fija o seccionable) e influye en la explotación de otras salidas.

Ejemplos (figura 3): la utilización de U3 queda afectada por la reparación de Q5, que, montado de forma fija, necesita el corte de la alimentación de entrada; en tanto que, la reparación de Q4, seccionable, puede hacerse con el JdB bajo tensión y, por tanto, sin repercusión en la utilización de U3.

Resultados

Los resultados que se dan a continuación son los que corresponden a valores habitualmente encontrados de fiabilidad y de MTTR para todos los elementos de la red.

Los resultados se presentan como partes de la no disponibilidad de cada uno de los cuatro grupos de fallo indicados antes.

– entrada 49%

– entre el JdB y la utilización 44%

– desconexiones por cortocircuito 1%

– mantenimiento fijo 6%

La política de mantenimiento influye también en las prestaciones del sistema. Por ejemplo, si el tiempo medio que se tarda en poner en funcionamiento una sección después de un fallo pasa de 48 a 24 horas, el número de horas de no-disponibilidad en U3 se divide por 2.

Este análisis aclara los diversos puntos que se pueden tener en cuenta para hacer un análisis cuantitativo.

A continuación se estudian los puntos citados anteriormente y los que se suelen tratar en un análisis cuantitativo.

Figura 4: Árbol de fallos del esquema de la figura 3

Conceptos de seguridad industrial

El diseño de una red debe de responder a las exigencias específicas del cliente. En todo sistema, basta que haya un elemento débil, para que la seguridad del conjunto quede en entredicho.

Así, para no encontrarse al volante de un fórmula 1 «a pedales», es aconsejable valorar la importancia de diversas soluciones técnicas en lo que se refiere a la seguridad:

□     el esquema (acometida, utilización final, esquema de conexión del neutro),

□     las conexiones,

□     los arcos eléctricos,

□     los «tipos de cuadro» (forma, conexiones, aparamenta fija o seccionable, IP...),

□     las salidas a motor en rack extraíble,

□     los elementos auxiliares de mando y control.

La seguridad ya desde el esquema

El elemento más importante para el trazado de una red eléctrica es el esquema de la acometida.

Otros elementos, como el tipo de receptores, el número de interruptores automáticos de mantenimiento fijo o el esquema de conexión a tierra, pasan a un segundo término.

·         El esquema de la acometida

La seguridad del suministro repercute en todos los receptores, críticos o no, y se demuestra que es importante, en la medida de lo posible, conseguir una configuración de entrada coherente con las necesidades aguas abajo. (Figura 5).

La solución adoptada dependerá del entorno donde se use. Por ejemplo:

– en ciertas zonas, es posible disponer de dos entradas MT derivadas de centros de transformación diferentes. Esto reduce el modo común debido a la no disponibilidad    de AT;

– en una zona aislada, esta solución puede ser impensable; en este caso se puede proponer una producción autónoma con grupo electrógeno de emergencia;

– determinados sectores industriales (químico, petroquímica, papeleras, ...) por su fabricación ya disponen de energía (a menudo en forma de vapor) que utilizan para accionar grupos turbo-alternadores. La red de distribución pública es entonces utilizada como soporte.

Nota: en el caso de que la entrada considerada no pueda soportar cortes breves, puede resultar imprescindible recurrir a un SAI. Pero no hay que olvidar que este tipo de aparato tiene limitada su autonomía a la de su batería, que suele ser de 15 minutos.

Figura 5: Esquema simplificado de una red.

□     Separación en salidas preferentes y no preferentes. La búsqueda de una buena disponibilidad de la energía lleva, casi siempre, a separar los consumidores en dos tipos:

– los preferentes,

– los no-preferentes.

En caso de sobrecarga o corte en la fuente principal, los suministros no-preferentes quedan desconectados y los preferentes acceden a la potencia disponible en una fuente alternativa (una segunda entrada MT o un grupo electrógeno).

□     Dispositivos de conmutación

En caso de fallos, la conmutación puede hacerse sobre fuentes de reserva, no utilizadas en funcionamiento normal, o sobre las fuentes de salida no-preferentes, con la desconexión de estas últimas.

Así se pueden considerar tres tipos de conmutaciones:

– síncrona:

La fuente principal y la fuente de reemplazo son o tienen la posibilidad de estar sincronizadas, lo que permite realizar una conmutación sin corte de la alimentación a los receptores. Este procedimiento es utilizado en las instalaciones de alto nivel de seguridad.

– con tiempo muerto:

Es el tipo de conmutación más usado. Con duraciones de conmutación que varían de 0,4 a 30 segundos, es muy utilizado en la industria y los servicios.

– pseudo-síncrona:

Se usa un dispositivo de conmutación rápido (60 a 300 ms), por ejemplo, en sectores como:

– químico,

– petroquímico,

– centrales térmicas.

·         La utilización final

En el caso de las redes usadas en este ejemplo (figura 3), la no-disponibilidad debida a la de los receptores es del 5% (figura 6A).

Según las características de los receptores utilizados, la parte de no disponibilidad debida a ellos puede variar entre el 5 y el 70%.

Es necesario, pues definir bien las características técnicas de los receptores frente a sus condiciones de empleo, así como los procesos de mantenimiento destinados a prevenir cualquier fallo.

La mayor parte de los fallos eléctricos de los motores se deben a defectos fase/masa que aparecen en el momento del arranque del motor. El control del aislamiento cuando el motor está parado, especialmente con el Vigilohm SM 21 de Schneider Electric, permite:

□     programar un mantenimiento preventivo,

□     evitar un deterioro irreversible del motor.

·         Esquemas de conexión del neutro a tierra

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Ver post:  “Regímenes de neutro y esquemas de conexión a tierra utilizados en baja tensión” en el siguiente link:  https://imseingenieria.blogspot.com/2019/08/regimenes-de-neutro-y-esquemas-de.html  

Figura 6: La no-disponibilidad de una entrada puede representar una parte muy importante de la no disponibilidad total, aquí, un 50%.

Continua en: Seguridad de funcionamiento en cuadros eléctricos de Baja Tensión ( y Parte 2ª)
https://imseingenieria.blogspot.com/2020/01/seguridad-de-funcionamiento-en-cuadros_18.html