El monitoreo de temperatura protege los niveles bajos

Jul 19, 2023

La detección temprana del aumento de temperaturas ayuda a evitar fallas y paradas no planificadas relacionadas con los activos de distribución de energía. Las tecnologías inalámbricas hacen que la implementación de esta solución de mantenimiento predictivo sea práctica y económica.

La generación eléctrica y los sistemas de distribución de alta tensión (HV) y media tensión (MV) asociados son infraestructura crítica en plantas de energía y otras instalaciones. El papel crucial de esta infraestructura ha atraído mucha atención e inversión para mejorar el monitoreo (consulte “Facilitar el mantenimiento predictivo de activos eléctricos con estrategias de detección generalizada” en la edición de abril de 2017 de POWER).

Lo que se ha pasado por alto hasta cierto punto es la distribución de energía de bajo voltaje (BT) a 600 V y menos, que incluye aparamenta, unidades de distribución de energía, centros de control de motores y otros activos eléctricos de BT críticos. Estos están presentes en prácticamente todos los sitios industriales y comerciales.

La distribución eléctrica de BT tiene un historial de inversión insuficiente, lo que deja a las empresas expuestas a un riesgo cada vez mayor de fallas y cortes no planificados, eventos que podrían evitarse con las tecnologías de monitoreo disponibles. Las fallas de activos siempre resultan costosas para los operadores y son mucho más costosas que implementar tecnología para proporcionar un monitoreo continuo.

Los propietarios y operadores son muy conscientes de los costos en dólares, tanto duros como blandos, asociados con las interrupciones no planificadas. Más allá de los costos financieros, las fallas introducen serios problemas de seguridad y riesgos innecesarios para los empleados y operadores de activos, lo que conlleva costos intrínsecos imposibles de medir pero muy significativos.

Al considerar la amplia variedad de tipos de activos de BT, los modos de falla raíz de la mayoría de los equipos a menudo se pueden predecir y prevenir monitoreando un indicador adelantado, que es un aumento inesperado de la temperatura causado con mayor frecuencia por conexiones sueltas o defectuosas, sobrecarga y corrosión.

Aunque los problemas de activos de BT que no se identifican ni se tratan pueden provocar una falla final y repentina en forma de descarga eléctrica o incendio, la causa subyacente generalmente progresa gradualmente con el tiempo. El monitoreo tradicional, si se realiza, es periódico y a menudo no captura la lenta progresión hacia el fracaso.

Este artículo destaca la importancia de monitorear estos activos continuamente, explica por qué la temperatura es la variable de preocupación y describe cómo las tecnologías inalámbricas pueden proporcionar las mejores soluciones de monitoreo de temperatura.

Los activos eléctricos están diseñados y clasificados de acuerdo con estrictas especificaciones del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) o de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) con parámetros operativos específicos. Las conexiones flojas, los contactos inadecuados y la corrosión reducen el área de la superficie por la que circula corriente, lo que aumenta la acumulación de calor donde permanece el contacto. Cuando esta acumulación de calor excede la temperatura permitida del activo, se ponen en marcha averías mayores.

En el caso menos crítico, una condición de sobretemperatura simplemente se funde sin dañar otros elementos. Sin embargo, la fase afectada se desconecta efectivamente, lo que resulta en una pérdida monofásica aguas abajo. Lo que resulta más preocupante es cuando el calor excesivo migra a los conductores, lo que eventualmente crea daños en el aislamiento y provoca un cortocircuito entre fases o entre fases y tierra.

Una conexión que se afloja puede volverse intermitente y producir un arco lo suficientemente importante como para afectar fases cercanas o estructuras conectadas a tierra, iniciando un cortocircuito. Las fallas de arco pueden crear un arco eléctrico extremadamente peligroso de plasma altamente conductor a medida que los conductores metálicos se vaporizan, creando una explosión explosiva que se expande rápidamente. La onda de choque resultante contiene metal fundido y fragmentos que pueden dañar otras partes del equipo y herir al personal cercano.

La temperatura es claramente una variable clave para predecir fallas inminentes. Por este motivo, es posible que algunos equipos posteriores, como motores, UPS, equipos de red y paneles de control, ya incluyan monitoreo de temperatura, alarmas y enclavamientos.

Pero, ¿qué constituye una temperatura “buena” comparada con una temperatura “mala”? La simple toma de algunas lecturas de temperatura durante un ciclo de mantenimiento preventivo no ofrece una imagen completa ni representa información en un contexto útil. En cambio, es mucho mejor conocer las temperaturas en los puntos probables de falla cuando el equipo está energizado y completamente cargado.

Por estos motivos, las temperaturas deben controlarse no sólo durante los picos de carga, sino también de forma continua. La condición de carga indica si el equipo está funcionando dentro de parámetros seguros o no. Con un monitoreo continuo, esta información se puede almacenar y determinar tendencias, que es la única forma de identificar de manera confiable la degradación lenta a lo largo del tiempo.

Las inspecciones manuales de activos de BT siguen siendo valiosas y necesarias, a pesar de presentar varias dificultades. Durante una inspección manual, se pueden observar síntomas obvios, como marcas de quemaduras, pero los problemas subyacentes a menudo pasan desapercibidos porque no han alcanzado la gravedad que muestra signos físicos obvios. Esto de ninguna manera significa que sea menos importante abordarlos.

La inspección por infrarrojos (IR) se ha utilizado para identificar problemas subyacentes en activos de BT, incluso con equipos energizados. Sin embargo, la inspección por infrarrojos solo funciona en la línea de visión y pone en riesgo a los técnicos al colocarlos cerca de equipos activos. Además, la inspección por infrarrojos solo mide la emisividad y no la temperatura real del punto de contacto crítico, y no indica la tendencia de la temperatura.

Teniendo en cuenta estas limitaciones, el monitoreo continuo ofrece una solución superior. El monitoreo continuo permite determinar las tendencias de las temperaturas en todas las condiciones, no solo en la carga eléctrica y las condiciones ambientales el día en que se realiza una inspección. Un sistema de monitoreo continuo puede emitir una alarma si se excede un umbral alto, y los datos del sistema se pueden analizar fuera de línea para evaluar el estado del equipo a lo largo del tiempo.

La temperatura ambiente se puede monitorear junto con la temperatura de contacto energizado en equipos de baja tensión, y el diferencial de temperatura se puede usar para comprender mejor el aumento normal de temperatura debido a la corriente eléctrica. Yendo un paso más allá, se pueden incorporar los datos de carga para obtener una imagen mucho más precisa del estado de los activos. Monitorear la temperatura, los voltajes y las corrientes en conjunto permite a los usuarios comprender mejor si el equipo tiene capacidad de expansión.

Obtener la temperatura de un componente eléctrico energizado no es tan simple como usar un termopar común o un detector de temperatura de resistencia porque el sensor debe lograr un aislamiento eléctrico de hasta 600 V según la Categoría IV o 1000 V según IEC 610101-1. Estos estándares también exigen que los dispositivos calificados resistan voltajes de impulso y de corto plazo mucho más altos, lo cual es difícil o imposible con sensores de contacto cableados. Sin embargo, una tecnología alternativa llamada tecnología de ondas acústicas superficiales (SAW) proporciona una solución viable. Los sensores SAW utilizan señales de ondas acústicas, que son moduladas por cambios en las condiciones físicas ambientales, proporcionando así un medio para monitorear de manera precisa y pasiva las condiciones locales.

Emerson Automation Solutions ha desarrollado una cartera de sensores compactos basados ​​en SAW bajo la marca IntelliSAW, que están dirigidos específicamente al entorno de activos de baja tensión, muy desafiante y denso. Esta tecnología emplea acoplamiento de campo cercano integrado (iNFC) para abordar estas aplicaciones. Las señales se transmiten de forma inalámbrica a través de iNFC a través de un espacio aislado, logrando el aislamiento requerido. El producto es inalámbrico y pasivo, por lo que no requiere mantenimiento en forma de reemplazo de batería y no contiene componentes electrónicos en el compartimiento energizado que puedan fallar.

1. Los factores de forma del sensor con clip que se muestran aquí permiten el monitoreo de temperatura de puntos calientes críticos en las barras colectoras. Cortesía: Emerson

Para una máxima flexibilidad, hay varios factores de forma disponibles. Dos tamaños de sensores con clip se adaptan a barras (Figura 1), dos tamaños de sensores tripolares se adaptan a una variedad de disyuntores y terminales de desconexión (Figura 2) y una versión de doble cable funciona con configuraciones de conductores paralelos comunes. Las opciones de montaje con clip, bridas para cables y pernos facilitan la instalación tanto en aplicaciones nuevas como en aplicaciones modernizadas (Figura 3).

2. El factor de forma del sensor tripolar que se muestra aquí se adapta a varios tamaños de disyuntores y terminales de desconexión, y se adapta fácilmente mediante bridas para cables. Cortesía: Emerson

3. Los sensores de temperatura inalámbricos atornillados, como los que se muestran aquí, son otra opción tanto para aplicaciones nuevas como para modernizaciones. Cortesía: Emerson

Si bien el uso de un cable coaxial para guiar las señales de radiofrecuencia (RF) puede hacer que estos sensores parezcan cableados, es importante recordar que en realidad funcionan en frecuencias inalámbricas a través de una barrera física aislada eléctricamente. Los tendidos de cables de RF solo son necesarios para promover una señal de transmisión fuerte y evitar problemas de interferencia eléctrica, que generalmente son menos de nueve metros según la geometría del activo de BT y la densidad de los sensores.

Dentro de un activo de BT, se pueden conectar hasta 12 sensores IntelliSAW a una unidad de monitoreo de lector IRM-48 y se pueden conectar hasta 10 lectores a una interfaz hombre-máquina (HMI) CAM-5. Tanto los lectores como la HMI utilizan protocolos de comunicación estándar de la industria, lo que les permite integrarse en sistemas de control e historiadores de nivel superior.

Una gran institución financiera opera múltiples centros de datos en todo el país, y estos centros respaldan diariamente numerosas transacciones financieras e interacciones con los clientes. Estos centros de datos se consideran de misión crítica y dependen de numerosos activos de BT totalmente redundantes para garantizar que se entregue energía confiable y acondicionada a miles de servidores.

Durante una inspección manual reciente, los operadores olieron humo debido al sobrecalentamiento eléctrico y recomendaron un apagado de emergencia, reaccionando así a un problema que ya había escalado a un nivel grave. El cierre no programado se prolongó mientras los operadores luchaban por identificar la ubicación exacta del problema.

Después de este incidente, el cliente decidió instalar un monitoreo continuo para todos sus activos críticos de distribución de energía. Se instalaron sistemas de sensores IntelliSAW en la entrega de energía primaria y secundaria de sus servidores de misión crítica para proporcionar datos 24 horas al día, 7 días a la semana sobre el estado de los activos.

Este centro de datos ahora cuenta con monitoreo continuo de la red de MT del edificio, transformadores reductores, aparamenta de BT, unidades de distribución de energía e interruptores de transferencia automática. Los operadores del sitio utilizan datos en tiempo real para validar que los activos eléctricos estén funcionando normalmente y programar el mantenimiento.

La distribución de energía de alta y media tensión se ha beneficiado de la incorporación de tecnologías de monitoreo continuo de activos, lo que permite a los usuarios detectar rápidamente problemas inminentes. Los mismos impulsores y fundamentos comerciales se aplican a los activos de BT, y la tecnología está disponible y está comercialmente probada. Un indicador clave de problemas es el aumento o aumento inesperado de la temperatura, que puede reconocerse y resolverse tempranamente si existe un sistema de monitoreo continuo.

Los usuarios con activos de distribución de BT en instalaciones comerciales e industriales normalmente han dependido de inspecciones manuales periódicas. Pero ahora existe una manera rentable, conveniente y más segura de implementar soluciones de monitoreo continuo en estos activos utilizando sistemas basados ​​en SAW. Los propietarios/operadores de activos que lo hagan pueden sentirse seguros de que han hecho todo lo que estuvo a su alcance para maximizar el tiempo de actividad y la confiabilidad para sus clientes. ■

—Jay Ganson es director de productos IntelliSAW en Emerson Automation Solutions.

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