Evaluación de Calidad de Potencia como Estrategia de Mantenimiento Predictivo

La Calidad de Potencia se refiere a una serie de fenómenos electromagnéticos que caracterizan la tensión y la corriente eléctrica en un tiempo determinado y en un punto dado de un sistema de potencia. Entendiéndose por fenómenos electromagnéticos, aquellos relacionados con la interacción, fuentes y efectos, de campos eléctricos y campos magnéticos.

Suele ser común hablar de calidad de energía, como sinónimo del término calidad de potencia, siendo este último el término que engloba de manera adecuada los conceptos que se esperan emitir en presente texto, ajustándonos a la definición de la Norma IEEE Standard 1159-1995 Recomended Practice for Monitoring Electric Power Quality.

Fig. N1 Forma de onda para la tensión por fase de un Sistema de Potencia.
Figura 1. Forma de onda para la tensión por fase de un Sistema de Potencia.

La evaluación de la calidad de potencia eléctrica puede ser perfectamente enmarcada dentro de las estrategias de mantenimiento predictivo en sistemas de potencia industriales y comerciales, debido a que, mediante esta evaluación, es posible proporcionar alertas de forma anticipada sobre el deterioro de ciertos componentes del sistema, así como las causas de tal condición, permitiendo generar acciones para prevenir las fallas.

Es bien entendido que el mantenimiento predictivo se basa en la filosofía de “predecir” la posible ocurrencia de fallas mediante la aplicación de métodos no invasivos al sistema. En este sentido, el desarrollo y aplicación de herramientas computacionales, han permitido la utilización de equipos de medición y registro de parámetros eléctricos, así como complejos software de simulación y estudios eléctricos, como mecanismos no invasivos para evaluar la calidad de potencia de los sistemas eléctricos, respecto a índices normalizados. De forma tal que es posible predecir, con cierta certeza, el estado y eventual condición de falla en equipos como transformadores, conductores, motores, generadores, capacitores, etc.

Los principales problemas de calidad de potencia, pueden resumirse en los siguientes aspectos:

  • Sobre voltaje, bajo voltaje, transitorios, incluidos caídas y subidas de voltaje (sags y swell).
  • Fluctuaciones de voltaje (Flicker).
  • Interrupciones de tensión.
  • Variaciones de la frecuencia.
  • Voltajes inducidos de baja frecuencia.
  • Armónicos, Interarmónicos, Resonancia.
  • Interferencia electromagnética.
  • Interferencia de radiofrecuencia.
Figura 2. Tensiones y Corrientes por Fase de un Sistema de Potencia. Corriente distorsionada debido a la presencia de cargas no lineales.
Figura 2. Tensiones y Corrientes por Fase de un Sistema de Potencia. Corriente distorsionada debido a la presencia de cargas no lineales.

La presencia de algunos o varios de estos problemas, genera consecuencias y síntomas en el sistema de potencia, tales como:

  • Parada inexplicable de sistemas electrónicos.
  • Reinicio de sistemas de control.
  • Incidencia inusual de fallas.
  • Sobrecalentamiento de conductores, transformadores y motores.
  • Falla o daño permanente en capacitores de corrección de factor de potencia.

Estos síntomas, pueden ser prevenidos mediante la implementación de evaluaciones de calidad de energía como prácticas regulares de mantenimiento predictivo. Ante la presencia inminente de alguno de estos indicadores es recomendable iniciar una auditoría de calidad de energía.

Los problemas de calidad de potencia, conllevan también costos asociados, debido a pérdidas e interrupción de producción, pérdidas de materia prima, costos por penalización de factor de potencia, y costos asociados a la ineficiencia del sistema eléctrico. El origen de los problemas de calidad de potencia es diverso, se puede asociar a desconocimientos o ligerezas durante el diseño del sistema de potencia, la inclusión o modificación de cargas no lineales en el sistema, o motivos externos, relacionados con la fuente de suministro eléctrico.

La auditoría o evaluación de la calidad de potencia permite optimizar y garantizar la correcta operación de un sistema eléctrico, ya que se evalúan las condiciones de servicio según normativas estandarizadas.

La auditoría de calidad de potencia, comprende el desarrollo de las siguientes actividades:

  • Medición de parámetros eléctricos tales como: tensión, corriente, potencia, factor de potencia, tasa de distorsión armónica, eventos de tensión, desbalance de tensión y corriente.
  • Levantamiento, revisión y actualización del diagrama unifilar del sistema.
  • Evaluación del sistema de puesta a tierra.
  • Termografía infrarroja de tableros eléctricos principales y secundarios.
  • Estudios eléctricos (Flujo de carga, cortocircuito, arranque de motores, armónicos).
Figura 3. Herramientas de trabajo durante el desarrollo de una auditoria de calidad de potencia.
Figura 3. Herramientas de trabajo durante el desarrollo de una auditoria de calidad de potencia.

Estas actividades forman parte de una auditoría técnica en un sistema de potencia. La medición de parámetros eléctricos, es un aspecto fundamental para conocer las condiciones del servicio eléctrico que reciben los equipos instalados, y es tan importante como la calidad del equipo mismo.

Las mediciones pueden efectuarse mediante la instalación de múltiples instrumentos de monitoreo colocados de forma permanente en sitios estratégicos del sistema, o a través de un equipo portátil colocado en sitios críticos por un periodo de tiempo determinado. En cualquiera de los casos, existen normas que regularizan las características e instalación de tales equipos (Norma IEEE Standard 1159-1995 Recomended Practice for Monitoring Electric Power Quality). El monitoreo continuo de parámetros eléctricos, sin duda genera múltiples beneficios a la gestión de mantenimiento predictivo, por cuanto permite llevar un record histórico de la data, previene la ocurrencia de fallas, y en caso de presentarse averías, facilita la evaluación post falla, permitiendo inferir sobre cómo y dónde se produjeron los acontecimientos.

Figura 4. Equipo de medición para auditoria de calidad de potencia.
Figura 4. Equipo de medición para auditoria de calidad de potencia.

Es de suma importancia considerar la aplicación de estrictas medidas de seguridad para el personal dedicado a instalar y operar los equipos de medición durante la auditoria de calidad de energía. Dado que al ser un método no invasivo, en la mayoría de los casos la instalación de la medición se efectúa durante la operación regular del sistema (en caliente), por tanto la Asociación Nacional Americana de Protección contra Incendios (National Fire Protection Association [NFPA]) publicó la última edición de la norma NFPA 70E en el año 2012. La norma NFPA 70E establece que “los operadores deben utilizar indumentaria ignífuga donde exista una posible exposición a un arco eléctrico”.

Esto implica que los operadores que trabajen con partes o equipos activados o cerca de estos empleen indumentaria ignífuga según los requisitos de ASTM F1506 American Society for Testing Materials y sea adecuada para la energía de peligro potencial. Los empleadores deben realizar un análisis de arco eléctrico para conocer el riesgo de energía potencial y el límite de protección contra el arco eléctrico.

Figura 5. Implementos de seguridad personal durante una auditoria de calidad de potencia.
Figura 5. Implementos de seguridad personal durante una auditoria de calidad de potencia.
Fuente www.ishn.com.

Durante la evaluación de calidad de potencia, se consideran una serie de indicadores o índices ya normalizados, relacionados con la frecuencia, amplitud y simetría de la señal, que permiten establecer y definir bajo que condición de calidad de potencia se encuentra el sistema y se emiten las conclusiones y recomendaciones necesarias para llevar tales índices dentro de los márgenes recomendados por las normas.

Algunas normas utilizadas durante los análisis de calidad de potencia, son las siguientes:

  • AMERICANAS: Institute of Electrical and Electronics Engineer: IEEE 519 Recomended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems y IEEE Standard 1159-1995 Recomended Practice for Monitoring Electric Power Quality.
  • EUROPEAS: International Electrotechnical Commission (IEC) European Standards: IEC 61000 Electromagnetic Compatibility, UNE50160 Norma Española Caracteristicas de Tensión de la red.
  • VENEZOLANAS: Comisión Venezolana de Normas, Fondonorma, Codelectra: Fondonorma 159 Tensiones Normalizadas, COVENIN3842-2004 Control de Armónicos.
Figura 6. Distorsión Armónica en % para corriente en un periodo de tiempo determinado. Medición tomada en una carga no lineal. Los valores por encima de la franja gris superan el límite establecido por la norma IEEE 519 para el caso de estudio particular.
Figura 6. Distorsión Armónica en % para corriente en un periodo de tiempo determinado. Medición tomada en una carga no lineal. Los valores por encima de la franja gris superan el límite establecido por la norma IEEE 519 para el caso de estudio particular.

Especial cuidado se requieren en instalaciones tipo aeropuertos, navales, hospitales, y centros de datos, donde los límites en algunos casos suelen ser más rigurosos o ajustados, debido a condiciones de seguridad más críticas que en una industria o comercio.

Las soluciones a los problemas de calidad de potencias, son diversas. Es recomendable plantear alternativas técnicas y financieramente factibles. Para ello es necesario cubrir un ciclo de trabajo, que comprende la medición en primer lugar, la evaluación y conocimiento del sistema de potencia, y finalmente el diseño e implementación de soluciones, las cuales, una vez puestas en marcha, deben ser validadas nuevamente con mediciones de parámetros eléctricos.

Figura 7. Ciclo de Evaluación e Implementación de Soluciones de Calidad de Potencia.
Figura 7. Ciclo de Evaluación e Implementación de Soluciones de Calidad de Potencia.

Finalmente, se han presentado argumentos contundentes, desde el punto de vista técnico, que permiten afirmar que una acción proactiva en un programa mantenimiento predictivo, implica incluir evaluaciones regulares de calidad de potencia, ya sea a partir de mediciones permanentes o puntuales, según el caso y los recursos disponibles, lo cual incide positivamente en los indicadores financieros, productivos y de seguridad de la empresa.

Referencias

  1. De la Rosa, F. Harmonic and Power System. Taylor & Francis Group, Boca Raton, Florida. 2006.
  2. Paul Gill. Electrical Power Equipment Maintenance and Testing, Second Edition. CRC Press 2008.

Autor: Adriana García
Consultor en Calidad de Potencia
www.resovaingenieria.com
Venezuela
Correo: adrianagarcia100@gmail.com / resovaingenieria@gmail.com

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