Este primer artículo
técnico tiene el objetivo de compartir con los seguidores del blog http://E.T.I.M.1970.blogspot.com temas de actualidad en las áreas de
Instalaciones Eléctricas, Sistemas de Control, Protección, Medición y
Comunicaciones en Alta Tensión, y Sistemas de Generación y Distribución
Eléctrica en Baja y Mediana Tensión, las cuales son de interés general de los
electricistas y por los motivos siguientes:
Primeramente, es
necesario destacar el gran aporte de las generaciones de técnicos electricistas
egresados de las gloriosas escuelas técnicas industriales (ETI) nacionales entre
los años 1950 y hasta principios de los años 1970, quienes contribuyeron con la
instalación, mantenimiento, pruebas y actualización de instalaciones de fuerza,
alumbrado, control y protección de numerosas obras públicas y privadas de los
Sectores Petrolero, Eléctrico, Minero, Siderúrgico, Institucional, Industrial y de Transporte que en estos tiempos están
llegando al término o cerca de cumplir su ciclo de vida.
Segundo, a los técnicos
pioneros hay que incluir los formados actualmente en las instituciones de Ciclo
Diversificado de Bachillerato Industrial (ex ETI) con el título de Bachiller
Industrial o técnico medio en Electricidad, equivalente al de perito electricista
del anterior sistema de educación artesanal, industrial y comercial (DARINCO) y
por otro lado, a los egresados de los Institutos Universitarios de Tecnología
(IUT) establecidos desde 1971, con el título de Técnico Superior Universitario
(TSU) en Electricidad, de mayor base teórica y práctica para el rol intermedio
entre el ejecutor (obrero a técnico medio) y el ingeniero, siendo hoy en día
transformados algunos IUT en universidades politécnicas y junto con la
Universidad Simón Bolívar (USB), núcleos de Sartenejas y del Litoral, formados
como profesionales de nivel intermedio en
carreras cortas (con un año de ciclo básico y dos de profesional) y con más
actualización sobre las últimas tecnologías.
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Este
artículo tiene la intención de proveer una guía para el próximo proyecto de
reemplazo o actualización tecnológica, reduciendo costos, ahorrando tiempo y
minimizando contratiempos.
El
Sistema de Protección Eléctrica basado en relés ha sido el corazón del sistema
de potencia en Instalaciones del Sistema Eléctrico Nacional y en Sistemas
Eléctricos Industriales incluyendo las etapas de Generación, Transporte,
Distribución y Utilización de la Energía. Al principio los relés de protección
eran del tipo electromecánico, con un mecanismo similar al de relojería, con
una vida útil bastante extensa, siempre que estuvieran en un medio ambiente
adecuado, manejados por personal competente y de acuerdo a la frecuencia de
operaciones por fallas en la red eléctrica. Las subestaciones de Trasmisión, de
Generación y de Distribución, así como en las grandes áreas industriales,
existen kioskos y cuartos de Control donde se encuentran instalados en ambiente
ventilado o climatizado los paneles o tableros de control y protección y
ubicados los relés de protección de varios fabricantes y tecnologías, ocupando
gran espacio. Hoy en día eso ha cambiado por dispositivos de protección
integrales, multifuncionales y numéricos, y operacionalmente se ha convertido
en el Sistema de Control, Protección, Medición y Comunicaciones bajo estándares
internacionales (IEC 61850).
Historia de los Relés:
Los
relés de protección han cambiado notablemente desde su utilización en las
primeras redes eléctricas a comienzos del siglo XX. Los primeros relés del tipo
Electromecánico eran unas piezas de “relojería suiza” de alta precisión, los
cuales no eran manejados por el electricista común, sino prácticamente por
ingenieros o técnicos electricistas adiestrados por el fabricante. Se
instalaron cientos de miles de relés Electromecánicos de diferentes tipos en
los centros de potencia dondequiera, desde los relés térmicos de sobrecarga y
los de sobre corriente, hasta los de sincronización y de distancia unitarios.
En
los años 1970 se comenzaron a introducir los relés de estado sólido o Estáticos
y comenzaron a reemplazar los relés Electromecánicos, con un ligero cambio en
el esquema de protección o la función del relé. Estos relés tenían la ventaja
de ser más económicos y más pequeños en comparación con los Electromecánicos.
Una de las primeras aplicaciones fue en las funciones de sobrecarga y
distancia.
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Era
un simple reemplazo de dispositivo. Los relés Estáticos no proveen funciones de
comunicación ni de registro de eventos. Algunos relés del tipo “enchufe y
ejecute” permanecen hoy día muy usados por su mínimo tiempo de instalación y
costo, corto tiempo de interrupción por
reemplazo y la invariabilidad del esquema de diseño.
El
amplio crecimiento de la tecnología de computación en la segunda mitad de los
años 1970 permitió la introducción de los relés Numéricos basados en
microprocesador (Digitales). La primera generación de relés Numéricos trajo
innovaciones en el desarrollo de nuevos algoritmos y el comienzo de la
combinación de varias funciones de protección en un relé multifunción en un
solo paquete.
Ahora,
estos relés Numéricos de primera generación están alcanzando el fin de su ciclo
de vida o el estado de “fuera de servicio”. Una razón mayor para esta situación
es la forma del diseño del montaje de componentes y las uniones soldadas
pobremente. El calentamiento y el enfriamiento de los circuitos impresos
también contribuyen con el problema, como conexiones eléctricas de una capa a
la otra, fallas en los condensadores electrolíticos en la fuente de poder. Debido a que los relés Numéricos de primera
generación tienen rutinas auto contenidas “watchdog” que envían una señal de
alarma, los operadores saben cuándo un relé de este tipo falla.
La
nueva tecnología de los relés Numéricos de segunda generación está equipada con
microprocesadores más poderosos, con una construcción de montaje superficial
más confiable y tiene algoritmos y elementos mejorados. Estos desarrollos
proveen a los ingenieros de protecciones nuevos esquemas de protección
eléctrica y un avance en la meta de mayor confiabilidad y seguridad en la
operación. Sin embargo, algunos fabricantes han provisto tanta capacidad de
programación en estos productos que se requiere entrenamiento extenso para
ajustar y operar estos relés.
Reemplazo/
Actualización de los Relés:
El
conocimiento de cuándo actualizar un relé de protección debe ser una función
proactiva, y no se debería operar relés de protección para fallar. Las normas
técnicas para determinar la vida útil de los relés son la ANSI C37.90-2005 y la
IEC 60255-2009.
Usted debe monitorear
el incremento en las fallas de los relés, así que se pueda seguir y programar
el reemplazo o la actualización antes de que un relé existente falle. El
monitoreo es necesario, especialmente para los relés Electromecánicos, lo relés
de estado sólido y los relés numéricos de primera generación. En la Figura 1 se
muestran los resultados en la longevidad de los relés.
Figura 1: Estudio de la longevidad de
los relés (Cortesía de IEEE-IAS)
Mientras
más antiguo sea un relé de protección en servicio, lo más probable es que
falle, por lo cual se recomienda la protección primaria/ de respaldo. En
general, el tiempo de vida útil de un relé Numérico es entre 15 y 20 años. Esto
es basado en los condensadores y los circuitos integrados (semiconductores) que
se degradan por vibración térmica y humedad.
Los
relés de protección operando en condiciones severas necesitarán mayor
mantenimiento y más registro de operación para documentar el desempeño.
Costos de Actualización
de los Relés:
Los
costos asociados con las actualizaciones y reemplazos de relés de protección
tienen muchas variables, dependiendo de la importancia que el Operador considere
a la Confiabilidad, Seguridad y Capacidad, la optimización de las
actualizaciones de los relés y el reemplazo pueden parecer un rompecabezas, por
la cantidad de variables de la operación del relé.
Sin
embargo, hay herramientas estadísticas y de probabilidades, tales como el
Tiempo Promedio entre Fallas (MTBF, o TPEF), el Tiempo Promedio
para Fallar (MTTF, o TPPF), y el Tiempo Promedio para Reparar (MTTR,
o TPPR).
Ecuación
del Costo del Ciclo de Vida de un Relé:
CL(t)
= Cd + Cx ʃ ρ(t)
dt + Ct (MTTR/MTTF) ʃ ρ(t) dt; o en otras
palabras:
CCV = Precio del Relé + Costo
de Mantenimiento + Costo de Falla del Relé
La
distribución de probabilidades Normal ρ (t) indica que una vez el relé presenta
una falla, las fallas subsecuentes ocurrirán con menos y menos intervalos de
tiempo. Por eso es una buena idea reemplazar / actualizar el relé después de la
primera falla. Las situaciones de alta
confiabilidad requieren que Usted tome la decisión de reemplazar o
actualizar el relé antes de que falle la primera vez. En efecto, las normas
industriales especifican que la vida del dispositivo de protección es no menor
que 12 años, y para dispositivos operando en condiciones o ambientes agresivos,
la vida útil debería ser acortada.
La
IEC describe la vida útil como “el intervalo de tiempo comenzando en un momento
dado en tiempo y finalizando cuando la intensidad de la falla es inaceptable o
cuando el tiempo es considerado ser irreparable como consecuencia de una falla”.
Disponibilidad es la probabilidad de que un sistema
opere adecuadamente en un intervalo de tiempo dado. Durante la vida útil y
sobre un largo período de uso, la disponibilidad es:
D = MTTF /(MTTF + MTTR);
siendo MTTF >> MTTR
Para
incrementar la Disponibilidad, el MTTR debe ser lo más breve posible. Teniendo relés o componentes de repuesto,
esto acelera la reparación y aumenta la disponibilidad. Una práctica
recomendada es de aplicar tensión a los relés de repuesto por 30 minutos una
vez cada año. Haciendo esto se mantienen los condensadores electrolíticos
internos frescos, mejorando la vida útil de los repuestos.
Actualización a la
Segunda Generación de Relés Numéricos:
Actualizando
a la última o la segunda generación de relés de protección numéricos resulta en
una ventaja distintiva. Ha habido avances en la circuitería (hardware), el
programa (software), la mezcla de elementos y las comunicaciones.
Hardware:
Los
avances del circuito electrónico son por los procesadores más rápidos y
mejores, la mayor confiabilidad de los elementos montados superficialmente, el
diseño de conexiones enchufables (plug-out) más confiable que el de
desconectables (drawout) y las conexiones basadas en Ethernet.
Software:
Los
avances de las instrucciones de máquina (firmware) y del programa (software) se representan por
la mayor cantidad y el tipo de elementos, lo cual permite nuevos esquemas de
protección, incrementa el tiempo de registro y de reporte del relé, provee
diagnósticos internos mejorados. La mayor capacidad de procesamiento les
permite a los fabricantes de relés un mayor número de elementos tradicionales
dentro de una función de sobre corriente 50/51 y de elementos 21/78 en relés de
distancia. Los relés numéricos de segunda generación tienen mayor memoria no
volátil permitiendo además del tiempo de registro y la cantidad de reportes, la
oscilografía, con lo cual no es necesario el registrador de fallas que se usaba
en los esquemas de los años 1970 al 1990. La
segunda generación de relés numéricos provee más auto pruebas que analizan no
solo la operación de los microprocesadores, sino el estado de la memoria, miden
la precisión de los convertidores A/D y monitorean las tolerancias de la fuente
de poder. De nuevo, los costos a largo término son menores y la protección del sistema
de potencia se incrementa por las alarmas por falla del relé.
Seguridad
Al nivel global, la seguridad de los datos ha
tomado un rol importante dentro del área de sistemas de protección. Las
empresas de suministro eléctrico y los operadores de sistemas de potencia
industrial y comercial deben asegurar que sus procesos son seguros contra los
piratas cibernéticos o “hackers”. Por ejemplo, en los Estados Unidos, los
requerimientos de seguridad de la NERC (North American Electric Reliability
Corporation), CIP (Critical Infrastructure Protection) establecen que los relés
de protección conectados al sistema interconectado regional o nacional deben
alojar todos los intentos de entrada. Los relés numéricos de primera generación
fueron diseñados antes de estos requerimientos y no proveen de adecuada
seguridad de datos para protección. Los
relés de segunda generación poseen provisiones de seguridad extensiva,
incluyendo el registro y verificación de quién accede el relé y para qué
propósito.
Programa inteligente
Estudios
recientes han mostrado que una gran cantidad de operaciones fallidas son
causadas por pobre programación del relé. A pesar de que es bueno disponer de
rutinas casi interminables de programación en relés de protección, puede ser un
riesgo el desconocimiento o disponer de ingenieros de protección no entrenados
adecuadamente. El nuevo programa inteligente para la segunda generación de
relés numéricos presenta ajustes guiados paso-a-paso y páginas de resumen
cuando se completa para chequear que todos los elementos están programados y
ajustados. Se mejora la simplicidad y las operaciones incorrectas son
minimizadas. La prueba automática es esencial, y los relés más recientes
coordinan con varios productos disponibles, haciendo la prueba y el
comisionamiento mucho más sencillo que los relés numéricos de primera
generación.
Datos de Instalación
y Ejemplo
La
experiencia de numerosas instalaciones de relés a lo largo de los años deja
evidencia de la necesidad de los reemplazos y las actualizaciones de relés.
Datos de Instalación Históricos
Los relés modernos
con componentes activos no tienen la
vida de servicio de los relés Electromecánicos. Sin embargo, los relés
numéricos de primera generación, los de estado sólido y los de segunda
generación ofrecen mayor confiabilidad, mejor retención de la calibración y
mayor protección repetible que los viejos relés Electromecánicos. La Figura 2
muestra la vida esperada (barra azul) y la vida máxima y mínima de servicio
(barra roja) de los cuatro tipos de relé. La barra amarilla representa la vida
promedio de cada uno.
Figura 2: Vida útil
de los relés por tipo (Cortesía de IEEE-IAS)
Sin
embargo, los componentes tales como los condensadores electrolíticos continúan
siendo un factor limitante. Esto no ha impedido que los relés de segunda
generación duren más.
Esquema
de Protección EM Diferencial de Transformador
Adicionalmente, el viejo esquema ofrecido no incluía la comunicación y por lo
tanto, los operadores no podían monitorear el transformador conectado al
sistema de potencia. Actualizando los relés Electromecánicos a relés Numéricos de
Segunda Generación resultó en mejor esquema de protección, mejor comunicación y
un mejor uso del espacio de tablero, lo que facilitó las operaciones y significó
menor tiempo de interrupción por falla. La Figura 3 muestra que esta
instalación caracteriza los nuevos tableros con un relé numérico multifunción
de reemplazo así como los suiches de prueba no disponibles en la instalación
original.
Figura 3: Menor
tamaño y mejor protección de los relés numéricos multifunción
Costos de Actualización a considerar
La
actualización tecnológica del esquema de protección puede ahorrar dinero a
largo plazo. Los costos pueden incluir:
Cambios
en Planos
· Consideraciones
de montaje físico (incluyendo obra civil y de carpintería metálica)
·
Actualización
de la infraestructura de comunicación
·
Redimensionamiento
de las baterías estacionarias
·
Costo
de Labor, incluyendo ingeniería, instalación, ajustes y comisionamiento
·
Tiempo
de interrupción por falla y equipos dañados
·
Mantenimiento
al término de la vida útil del viejo esquema.
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Implantación de la
Actualización de Relés
Cuando
Usted ha decidido actualizar el esquema de protección, estos son los pasos a
seguir:
· Obtener
la aprobación de la Gerencia y la aceptación del Equipo Técnico. No olvide
tomar en cuenta lo inesperado (relé o fijación del tablero incorrecto,
problemas de espacio para la apertura de puerta, etc.). Un valor estimado para
los costos inesperados es entre 10 % y el 25 %.
·
Actualizar
los planos para los nuevos relés o tableros de protección
·
Ordenar
todos los materiales requeridos, herramientas y labor
· Desarrollar
un plan de interrupciones del servicio. Aquí es necesario tomar medidas de
seguridad para evitar posibles peligros. Es mejor actualizar una parte fuera de
servicio del sistema. Hacer actualizaciones o reemplazos en caliente no es
recomendado. Un plan efectivo de interrupciones incluye los objetivos
siguientes:
v Evita incrementos en costos de
interrupción y retardos en proyecto
v Evita circunstancias inesperadas
durante la interrupción porque Usted “ha caminado o ensayado” el siguiente
trabajo o actividad.
v Simplifica la coordinación con su
apoyo técnico durante la inspección y el comisionamiento.
v Incrementa la productividad del
personal.
· Instalar,
probar y hacer el comisionamiento. Muchas técnicos electricistas nuevos están
cómodos con los puertos USB, direcciones IP y puertos Ethernet en los modernos
relés numéricos de segunda generación pero no así con las conexiones seriales
antiguas.
v La prueba asistida por computador
(CAT) se está convirtiendo en un estándar en la
industria para ayudar a los
técnicos experimentados a ahorrar tiempo, proveyendo más trabajo a menos costo.
·
Completar
los planos y dibujos “as built” con sus datos. Además de actualizar los planos,
ahora es un buen tiempo para escribir la Memoria Descriptiva del proyecto y
actualizar los documentos de diseño.
·
Desconectar
y desinstalar responsablemente el viejo sistema de protección
Reporte
Final de desconexión de equipos a la Gerencia.
Conclusiones
La
actualización tecnológica de los relés de protección del sistema de potencia
permite que veamos la reducción del costo y la mejora de la eficiencia a largo
plazo.
2. La
segunda generación de relés Numéricos (nuevos relés de microprocesadores
con
multifunción y multi núcleos de
procesamiento) son en general menos costosos por
función que los relés
Electromecánicos antiguos.
Referencias
Standard for Relay and Relay Systems Associated with Electric Power
Apparatus, ANSI/IEEE Standard C37.90, 2005
Measuring Relays and Protection Equipment- Part 1: Common Requirements,
IEC Standard 60255-1, 2009
