Seguridad de funcionamiento de una red eléctrica

 

Con el paso de los años, la seguridad de las redes se ha convertido en un requisito que se extiende a todos los procesos vulnerables a los cortes de electricidad.

El concepto de seguridad de funcionamiento viene definido por las siguientes magnitudes:

● disponibilidad de energía

● frecuencia anual de cortes,

● mantenibilidad.

Objetivos

El objetivo del estudio del comportamiento de una red en términos de seguridad de explotación es:

 ● diseñar la arquitectura de red óptima para satisfacer las necesidades de suministro energético de los receptores de la instalación de acuerdo con los requisitos de continuidad impuestos por el proceso, gracias a:

o   un mejor control de los riesgos derivados de los cortes de energía,

o   mejores criterios de decisión para elegir entre varias soluciones;

● prever situaciones de funcionamiento anómalas, cuantificar su probabilidad y definir un nivel de confianza asociado al suministro de energía eléctrica.

Fenómenos y orígenes

La presencia de energía eléctrica se caracteriza normalmente por:

● Fiabilidad para una duración determinada DT, expresada por el tiempo medio entre dos fallos -MTBF-, o por el tiempo medio hasta el primer fallo -MTTF-,

● Disponibilidad en el tiempo T,

● Tiempo medio desde el fallo hasta la reparación -MTTR-.

El suministro de energía eléctrica depende esencialmente de:

 ● la estructura topológica de la red eléctrica para todos los regímenes de funcionamiento posibles y durante sus cambios de estado: normal, degradado o en régimen de emergencia,

● el funcionamiento normal del sistema cuando los distintos regímenes de funcionamiento se desarrollan correctamente,

 ● la organización del mantenimiento,

 ● la previsión de perturbaciones accidentales.

Efectos y soluciones

Desde el punto de vista eléctrico, las averías de la red adoptan principalmente las siguientes formas:

● Cortes de corriente de los distribuidores de energía: las propias redes de distribución están sujetas a fallos o perturbaciones (avería de equipos, perturbaciones atmosféricas, etc.). Esto provoca bajadas de tensión y cortes breves o prolongados en las subestaciones de entrada. En función de la topología de la red y de los medios desplegados, estas perturbaciones pueden propagarse hasta los receptores.

● Fallos de aislamiento: los cortocircuitos provocan bajadas de tensión o interrupciones en los receptores, en función de:

o   las protecciones instaladas y su selectividad,

o   la distancia "eléctrica" del receptor con respecto a la avería,

o   la topología de la red, con o sin dispositivos de reconfiguración de redundancia activa o pasiva.

● Disparos intempestivos: provocan el corte de la alimentación de los receptores situados aguas abajo.

● Fallos de funcionamiento: cuando la aparamenta no efectúa un cambio de estado solicitado (no abre o no cierra a petición). En general, estos fallos no provocan perturbaciones directas en los receptores. En cambio, suelen ser fallos no detectados que provocan un mal funcionamiento de la red cuando se produce otro fenómeno, como:

o   pérdida de protección y/o selectividad

o   pérdida de recursos de reconfiguración, de reserva, etc.

Los efectos de las caídas de tensión o los cortes de suministro dependen de la sensibilidad del receptor.

Algunos receptores, como los equipos informáticos, son sensibles a las caídas de tensión o a las interrupciones muy breves (algunas decenas de ms), mientras que otros equipos pueden aceptar interrupciones más largas sin perturbar el proceso.

Por tanto, es esencial caracterizar los equipos por su nivel de sensibilidad.

Además, la duración real de la pérdida del receptor o del proceso no siempre es proporcional a la duración del corte de corriente. En algunos casos, la reposición del servicio puede depender de muchos más parámetros que el simple retorno de la energía eléctrica (restablecimiento del funcionamiento de una sala blanca, parametrización de una máquina herramienta, proceso químico, etc.).

Por lo tanto, es necesario evaluar la criticidad de los receptores como consecuencia de su parada.

Los medios tradicionales utilizados para protegerse de todas estas perturbaciones son:

● fuentes autónomas (generadores, turbinas de gas, etc.),

● múltiples acometidas de la red de distribución lo más independientes posible,

● utilización de sistemas de desensibilización (inversores, no-break, etc.),

● sistemas que permitan el reabastecimiento, ya sea mediante la reconfiguración de la red (onduladores de alimentación, red en bucle, etc.), ya sea mediante una fuente de energía secundaria lo más cercana posible al receptor,

● aplicación de medios que permitan detectar los fallos lo antes posible (periodicidad del mantenimiento preventivo, test automáticos, etc.).

Las ventajas de un estudio

Un estudio de seguridad operativa ayuda a controlar el riesgo asociado a los sucesos graves a la hora de diseñar la arquitectura de una red eléctrica mediante:

● la determinación de la criticidad de los receptores y, en función de su nivel de sensibilidad, de los incidentes graves para la instalación eléctrica. Se trata de identificar los puntos críticos de la red y asociarles criterios de rendimiento de seguridad;

● el análisis cuantitativo de una o varias arquitecturas de base en función de los índices de seguridad;

● la justificación final de la elección de los sistemas de reserva y/o desensibilización, redundancia y mantenimiento preventivo en función de las exigencias del cliente.

Ejemplo

Este caso procede de un estudio de mejora de la red eléctrica de un centro en una industria automovilística (véase la fig. 1). El objetivo era reducir el alcance (duración y número) de las interrupciones debidas a averías o trabajos de mantenimiento.

● Objetivo del cálculo

Realizar un análisis de criticidad y cuantificar la situación existente, para después proponer mejoras.

● Resultados del cálculo

El cálculo permitió definir las modificaciones de la topología que aportarían las ganancias de seguridad deseadas (véase el diagrama de la figura 1).

Se ha conseguido un tiempo de inactividad anual inferior a una hora, y el mantenimiento de los equipos eléctricos puede realizarse sin interrumpir el proceso.

Figura 1: Mejoras recomendadas (líneas grises) en la red eléctrica de una industria del automóvil, esquema y resultados