Búsqueda y medición de transientes.

Recapitulación

• ¿Cómo me doy cuenta si mis equipos están siendo afectados por los transientes de sobrevoltaje?

• ¿Cómo mido los transientes de sobrevoltaje y cuáles son mis beneficios?

¿Cómo me doy cuenta si mis equipos están siendo afectados por los transientes de sobrevoltaje?

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Como hemos analizado en los artículos anteriores, los efectos de los transientes de sobrevoltaje pueden aparecer casi de inmediato y ser catastróficos, o pueden tener un efecto de deterioro acumulativo.

Muchas veces hay tendencia a medir y controlar la calidad de la potencia en el tablero principal de acometida (porque además es donde las compañías eléctricas tienden a ofrecer mediciones gratis). Además, es ahí, donde se centran esfuerzos de protección, considerando este punto, el de ingreso de todos los transientes de sobrevoltaje a la red de distribución eléctrica. Esta tendencia, no es correcta, como los discutimos y analizamos con amplitud en los artículos anteriores.

La forma más confiable de detectar la presencia de transientes de sobrevoltaje, es mantener una medición de calidad de energía permanente en los lugares críticos de la red eléctrica.

Usted podría tener actividad transiente de la que no está enterado inclusive después de hacer mediciones de calidad de potencia (PQ), con analizadores portátiles. Esto es porque la actividad de los transientes de alta frecuencia debe ser medida cerca de la fuente, y/o en los lugares críticos, y de forma permanente. ¿Porqué?, porque los transientes son aleatorios, no tienen patrones de comportamiento definidos, y más bien varían de acuerdo a la carga que esté conmutando y a las condiciones externas a su edificio o facilidad.

Si usted no cuenta con sistemas de análisis de calidad de energía, hay señales que puede observar en sus equipos, que le indicarían la presencia de transientes, y que pueden ayudarle a prevenir fallos catastróficos. Una señal muy importante de presencia de transientes de sobrevoltaje, son los problemas de operación de los equipos y procesos.

Seguidamente discutiremos, según el tipo de equipo, algunas de las señales que se pueden encontrar en su edificio (facilidad):

Equipos y sistemas electrónicos de control, alarma, comunicación y de procesamiento de datos

Los transientes de sobrevoltaje pueden afectar, dañar o destruir totalmente los equipos electrónicos, instrumentación, computadoras, equipo de telecomunicación y en general los circuitos integrados que forman parte de la mayoría de equipos electrónicos sensibles y especializados.

En muchos casos los síntomas de problemas de calidad de potencia debido a los transientes de sobrevoltaje le pueden ser difíciles de distinguir de los problemas de software. Se puede notar desde una disminución notoria de la tasa de rendimiento de su equipo o un incremento en los retrasos de respuesta, hasta una variedad de averías sin razón aparente.

Sin embargo hay señales que se pueden buscar y analizar, para determinar la presencia de los transientes de sobrevoltaje. Algunas señales importantes son:

• • • Operación errática y/o intermitente del dispositivo electrónico, y/o el bloqueo de operación
    • Pérdida de memoria o reseteo
    • Problemas de funcionamiento con los discos duros, pérdida de datos en memoria
    • Reprogramaciones constantes
    • Pérdidas de eficiencia de operación, aumento consumo Wh
    • Aumento de los errores de bit por unidad de tiempo
    • Cambio y/o confusión en las señales lógicas

 

Los problemas intermitentes con las señales y el procesamiento de señales en sistemas de control y de comunicaciones, son señales típicas de presencia de transientes de sobrevoltaje. Un solo transiente podría provocar la operación incorrecta de equipos dentro de un proceso de control, que podrían llegar hasta detener completamente el proceso.

Iluminación

En la iluminación fluorescente, los transientes de sobrevoltaje, provocan exceso de energía cinética que desplaza el material de los electrodos. Esto se llama “pulverización catódica”, y podría reducir la cantidad de luz producida por el tubo fluorescente y causar un incremento en la cantidad de potencia requerida para ionizar el gas. Este deterioro de los tubos fluorescentes, a su vez son la principal causa de fallas en los balastros.

Uno de los indicadores más común de la presencia de transientes de sobrevoltaje, es la prematura aparición de “anillos” negros a los extremos de los tubos. Los transientes de sobrevoltaje que son de suficiente magnitud causarán la pulverización de los ánodos, la deposición de la pulverización dentro del tubo, resulta en los finales negros que comúnmente se observan en los tubos fluorescentes.

Como consecuencia de estos se tendrá temperaturas de operación más altas, y aumento en el consumo de potencia.

En los sistemas de iluminación tipo “LED” los transientes de sobrevoltaje pueden afectar el controlador y el módulo del LED. Esto tiene una serie de señales muy significativas

• • • Daño parcial o completo del módulo LED
    • Deterioro acelerado del módulo LED, y por consiguiente reducción de la vida útil
    • Fallo en el controlador LED

Red de Distribución Eléctrica

La actividad transiente puede producir accionamiento inesperado de los breakers, los calienta y los hace reaccionar a un aumento en la corriente inexistente. Los transformadores son forzados a operar ineficientemente, debido a las pérdidas de histéresis producidas por los transientes de sobrevoltaje y también aumentan su temperatura de operación. En resumen:

• • • Disparo de disyuntores
    • Aumento en la temperatura de los componentes
    • Aumento en el consumo eléctrico KWH
    • Fallo en el aislamiento interno de los transformadores

Los transformadores tienen una estructura interna muy compleja, que resulta en múltiples resonancias internas, las cuales pueden causar distribución de voltaje no uniforme a altas frecuencias (como las de los transientes) y la amplificación local del voltaje.

Este fenómeno provoca sobre estrés en el aislamiento de los devanados del transformador que afecta de forma negativa el aislamiento, y puede llegar a causar cortocircuitos internos, y en general reducción de la vida útil del transformador.

Fuentes ininterrumpidas de potencia UPS

Hay ciertos fenómenos a los que la UPS está expuesta y sobre los cuales tiene habilidad limitada para mitigar. Usualmente son: alta corriente en la tierra, ruido inductivo, corrientes harmónicas, desbalance de fase, bajo factor de potencia, pero sobre todo susceptibilidad a los transientes de sobrevoltaje.

Algunos problemas podrían ser:

• • • Disparos de alarmas en la UPS
    • Desconexión de la UPS, queda en “bypass”, fuera de línea
    • Deterioro y malfuncionamiento en sus componentes, invisibles para el usuario

Una UPS puede fallar si no se le da mantenimiento apropiado. Lo importante es comprender que hay problemas que se pueden producir en la electrónica de la UPS que no se podrán ver sin un sistema permanente de monitoreo y análisis de calidad de energía. Este sistema debe permitir identificar las degradaciones en sus componentes antes de que se conviertan en fallas catastróficas, daños de equipos y tiempos muertos.

Motores

En los motores se pueden ver algunos síntomas que podrían ser causados por la presencia de los transientes de sobrevoltaje, a considerar:

• • • Vibración
    • Ruido
    • Excesivo desgaste
    • Calentamiento
    • Fallos en aislamiento, saltos
    • Decoloración y manchado de carbón en los contactos y brochas.

Los transientes de sobrevoltaje producen también pérdidas de histéresis en los motores, que incrementan su consumo de energía (kwh). El devanado de los motores también se ve afectado por los transientes de sobrevoltaje y eventualmente puede causar corto circuitos.

Además los transientes de sobrevoltaje pueden causar fallos prematuros de los variadores y arrancadores suaves, y en los sistemas de control.

Arrancadores Suaves y Variadores de Velocidad

En teoría y bajo condiciones ideales, los dispositivos de estado sólido deben funcionar bien para millones de operaciones, es decir para una larga vida. En la vida real aunque son muy confiables, pueden ser víctimas del calor y otras fallas de carga, sin embargo la amenaza más común es la de los transientes de sobrevoltaje.

Los dispositivos de estado sólido tienen rectificadores de control de silicio (SCR), que son el equivalente electrónico a los contactos en los dispositivos electromecánicos. Los SCRs de los dispositivos de estado sólido no soportan el efecto de los transientes de sobre voltaje, y ante la presencia de los transientes se degradan rápidamente y eventualmente se dañan.

Se puede entonces concluir que, los arrancadores suaves y variadores de velocidad, tendrán una vida útil que estará condicionada a su capacidad de resistir los transientes de sobrevoltaje.

¿Cómo mido los transientes de sobrevoltaje y cuáles son mis beneficios?

Recordemos que la transmisión de la energía eléctrica en las líneas de distribución se realiza a través de un sistema de corriente alterna, que utiliza una onda de voltaje de forma sinodal con una frecuencia de 60 Hz, es decir, se trata de una onda de voltaje que cambia su polaridad 60 veces por segundo. Esto se puede observar en la figura siguiente.

Figura 1

Una frecuencia de 60 Hz implica que un ciclo de la onda tarda 1/60 segundos = 0.01667 segundos = 16.67 milisegundos (ms). Por lo que según el estándar C62.41.1, se considera eventos de transientes de sobrevoltaje de 50 milisegundos de duración en adelante.

Como hemos analizado, los transientes de sobrevoltaje son fenómenos de alta frecuencia, esto implica que para poder identificarlos y medirlos no se puede hacer con equipos de medición de voltaje y/o corriente normales. Para poder hacerlo se necesita analizadores de la calidad de la potencia, que toleren altos voltajes, con tiempos de muestreo muy altos y con respuesta rápida a las variaciones de alta frecuencias.

Los analizadores de la calidad de la potencia son herramientas importantes que ayudan a administrar su energía y verificar la calidad de potencia en su edificio (facilidad). Estos analizadores tienen entradas de voltaje y de corriente, y su medición provee las bases para el cálculo de todos los otros valores registrados por el analizador.

Para poder medir las señales de voltaje y de corriente, el analizador de calidad de potencia debe tener componentes que permitan convertir la señal análoga (continua) en una señal digital (discreta). Para convertir la señal análoga en señal digital se requiere una serie de capturas o muestras discretas de la señal análoga inicial. Ver figura 2. La conversión de una señal análoga en una señal digital requiere una serie de fotos instantáneas, o muestras con pausa (discretas), de la señal analógica original. Es importante considerar que al hablar de muestras, lo que se va a obtener como la señal digital resultante, es una estimación de la señal análoga original. Convertir una señal análoga en una fiel representación digital requiere el uso de hardware especial, que incluye ADC (convertidor de análogo a digital) y filtros (anti-aliasing). El ADC muestrea (mide) la señal análoga a una tasa discreta dada (muestreo) para aproximar la señal original de entrada. A mayor la tasa a la que el ADC muestrea, se obtendrá una mejor imagen de la señal que se está midiendo. Esto es lo que usualmente se menciona en las especificaciones de los analizadores de calidad de potencia como muestras por ciclo.

Figura 2

El muestreo de las señales analógicas en los medidores de calidad de potencia es necesario para representar apropiadamente los componentes del voltaje y de la corriente. Al muestrear la forma de onda a altas tasas, el analizador puede medir la magnitud y caracterizar algunas de las perturbaciones en la calidad de la potencia. Sin embargo, es importante notar que para capturar eventos de alta frecuencia, como los transientes de sobrevoltaje, 512 muestras por ciclo o 1024 muestras por ciclo, no dan suficiente resolución para lograrlo efectivamente.

Un analizador de la calidad de la potencia, debería utilizar un procesador dedicado y separado, adicional al ADC, para la detección de las perturbaciones de alta frecuencia. Este procesador debería tener una capacidad de muestreo igual o superior 1MHz por cada canal. Este hardware adicional, le permite al analizador de la calidad de la potencia, por ejemplo, capturar transientes de sobrevoltaje con duración de hasta 250 nanosegundos. Además, debe permitir detectar los transientes de sobrevoltaje de línea a tierra, en todas y cada una de las fases incluyendo el neutro, el cual también es muy importante de monitorear (L1-T, L2-T, L3-T y N-T).

Si se utilizara únicamente un muestreo de 512 muestras por ciclo se estaría muestreando a 31 kHZ, o a 62 kHz si fueran 1024 muestras por ciclo, lo que implica que únicamente podría capturar eventos transientes de baja y algunos de media frecuencia. Estos medidores, detectarán solamente impulsos de 31 y 62 KHz, lo que implica que perderán la medición de gran parte de los transientes de media y los de alta frecuencia, con frecuencias mayores a 32KHZ o 63KHZ según sea el caso.

En cuanto al hardware de los analizadores de la calidad de la potencia, para la medición de eventos de alta frecuencia, usualmente también incluyen filtros, que permiten a los analizadores únicamente capturar los componentes de alta frecuencia.

La importancia del hardware en los analizadores de la calidad de la potencia se puede analizar en las figuras siguientes, 3 y 4.

Figura 3. Transiente de sobrevoltaje

Figura 4. Swell

Existe diferencia entre un transiente de sobrevoltaje y un swell o sobrevoltaje. El primero tiene magnitudes de mili (1/1000), micro (1/1 000 000) y hasta nano segundos (1 000 000 000), mientras que el segundo puede durar hasta un minuto en el caso de swell; o más de 1 minuto en el caso de los sobrevoltajes, los cuales son considerados eventos de larga duración.

Los swells y sobrevoltajes, pueden medirse con voltímetros normales, dependiendo de la duración del evento, y del voltímetro que se esté utilizando, mientras que los transientes de sobrevoltaje únicamente pueden registrarse utilizando analizadores especializados, con las características que se discutieron anteriormente. Los eventos registrados y mostrados en las figuras 3 y 4 se registraron utilizando el analizador de calidad de energía PQUBE de Power Sensor Link.

Ahora bien, en los analizadores de la calidad de la potencia es tan importante como el hardware, el firmware y software de análisis, especialmente para caracterizar los eventos, utilizando la normativa vigente, por ejemplo y muy importante el cumplimiento con el estándar IEC-61000-4-3 Clase A, edición 3era.

En la figura 5 se muestra el evento capturado y su caracterización, la cual facilita el trabajo de análisis y solución de problemas.

Figura 5. Caracterización transiente de sobrevoltaje

En resumen, es conveniente siempre estar atentos a los transientes de sobrevoltaje, ya sea utilizando analizadores de la calidad de la potencia permanentes, o monitoreando los síntomas que mis equipos importantes puedan presentar. La identificación de la o las fuentes de generación así como de los equipos más sensibles, es crítico en el diseño apropiado de sistemas de protección, como lo vamos a analizar en artículos posteriores.