Monitoreo para la predicción de fallas

Desde hace años, existen equipos para registrar las perturbaciones en los sistemas de suministro de energía eléctrica. Los instrumentos de medida antiguos tenían capacidades limitadas, pues sólo medían tensiones y presentaban los resultados por medio de gráficos en papel. Los instrumentos de medida modernos realizan muchas más mediciones y almacenan los datos electrónicamente para su posterior análisis en una computadora. Así, los datos obtenidos pueden analizarse de formas diferentes, de manera que el conjunto de los datos satisface diversas necesidades de medición

Por David Bradley

En el mercado se dispone de una amplia gama de equipos, desde simples unidades monofásicas que se conectan a una toma de corriente, hasta monitores trifásicos permanentemente conectados a los sistemas de control de los edificios. Los instrumentos más sencillos son útiles para determinar la localización, naturaleza y escala de los problemas antes de llevar a cabo un estudio más exhaustivo.

La mayoría de los instrumentos de medida registran los sucesos que superan los umbrales prestablecidos; por ejemplo, tensiones fuera de los límites aceptados o bajadas de tensión que quedan fuera de la curva de tolerancia elegida. Esta solución reduce el volumen de datos registrados, lo que facilita su almacenamiento y análisis, pero no indica nada sobre cuántas incidencias se producen dentro de los límites establecidos. Estos umbrales pueden ser fijados por el usuario, pero, si se establecen de manera muy restrictiva, el dispositivo de registro se llenará de datos relativamente poco interesantes, cuyo análisis requerirá un tiempo excesivo; si los límites se establecen de manera poco exigente, pueden ignorarse sucesos importantes.

Una solución alternativa se conoce como “monitorización de información total”. El monitor dispone de una gran memoria de semiconductores, complementada por una unidad de disco duro, de manera que la capacidad de captura de datos es muy amplia. Esto permite la recopilación de todos los datos, con un umbral muy restrictivo que se establece dinámicamente para adaptarse a las condiciones. El software instalado en el ordenador, que puede formar parte de una red o estar alejado y conectado a través de un módem, impone los umbrales de acuerdo con las necesidades del usuario en el momento del análisis. Los umbrales se establecen durante el análisis, no durante la recogida de datos, de modo que no existe ninguna zona muerta y no se descarta ningún dato. Los mismos datos pueden ser analizados de nuevo con umbrales diferentes tantas veces como sea necesario.

En la práctica, hay un umbral de medición, pero éste se reajusta automáticamente durante la medición, de modo que el instrumento de medida no se llena de datos cuando se producen circunstancias poco habituales. Las medidas se recogen siempre, pero si es preciso, se filtran antes de su almacenamiento. Los monitores de información total emplean elevados regímenes de muestreo y potentes procesadores digitales de señal para medir todos los parámetros, incluyendo armónicos y transitorios, en todos los ciclos. Al recoger los datos, el instrumento puede medir desviaciones de tensión, incluso perturbaciones transitorias, armónicos, fluctuaciones, factores de potencia, consumos de energía y frecuencias.

Esto permite aplicar técnicas de mantenimiento predictivo a los sistemas de alimentación de energía. Tales técnicas se han empleado desde hace años para evitar fallas en los equipos mecánicos y en los equipos electromecánicos. Mediante el análisis del espectro de frecuencias de la vibración de los soportes, por ejemplo, y la comparación de cómo cambia dicho espectro en el tiempo, es posible advertir anticipadamente las fallas que se van a producir y programar el mantenimiento para corregirlas.

Ventajas del monitoreo continuo
En muchas aplicaciones “críticas” de la administración pública, militar, financiera o comercial, los ordenadores funcionan las 24 horas del día, 365 días al año. Estos ordenadores pueden desempeñar diversas tareas, como la coordinación del aterrizaje de una lanzadera espacial o procesando transacciones por valores de millones de pesos. En consecuencia, los propietarios y operadores de estos sistemas realizan importantes inversiones en sus infraestructuras para evitar interrupciones o tiempos muertos a causa de averías.

Por ejemplo, en los centros de datos importantes existen grandes UPS o sistemas de generación de emergencia, con un sistema de distribución de energía cuidadosamente diseñado. El objetivo es simple: conseguir una disponibilidad del sistema tan cercana al ciento por ciento como sea posible.

La vigilancia continua de un sistema de alimentación de energía es una parte integrante de cualquier programa de gestión proactiva. Este tipo de programas brinda muchas ventajas:

  • Proporciona un registro histórico de la calidad de la energía, que permite identificar las tendencias (incremento en el número y severidad de las bajadas de tensión o el crecimiento de armónicos), lo cual puede utilizarse para programar el mantenimiento preventivo. Eliminar las interrupciones imprevistas supone un gran beneficio económico. Las técnicas predictivas proporcionan la información necesaria para conseguir la máxima disponibilidad
  • Proporciona datos para determinar la carga de los transformadores y de las fuentes de alimentación de emergencia existentes y para planificar su expansión.

Los datos son utilizados para determinar si las inversiones se están realizando en las áreas más adecuadas

  • Puede alertarse de inmediato al personal clave cuando se detecta un problema en el sistema de alimentación de energía, mediante la generación de alarmas y el envío de mensajes a buscadores de personas o a las pantallas de las PC.

La notificación inmediata permite realizar las acciones precisas para aislar el problema y evitar un efecto en cadena que podría poner en riesgo toda la instalación

  • Los armónicos deben supervisarse de forma continua para asegurar que, a lo largo del tiempo, la adición de nuevas cargas no produzca calentamiento excesivo que pueda provocar una falla prematura en los transformadores, conductores y disyuntores
  • El monitoreo continuo proporcionará datos con el propósito de realizar un estudio ulterior de los incidentes que hayan provocado las interrupciones en la alimentación. Datos necesarios para determinar cómo y dónde se produjeron los sucesos, lo que permitirá comprender la manera de evitarlos y mitigar sus efectos, de ser necesario

Compañías suministradoras de energía pueden obtener beneficios de la supervisión continua de sus infraestructuras. Por este motivo, para las empresas se ha vuelto imprescindible instalar instrumentos de monitoreo en sus sistemas de distribución, para mejorar deficiencias operativas, y establecen programas de supervisión proactiva de la calidad de la energía, para beneficiar a sus clientes, bien sea formando parte de un contrato de suministro de energía, o como mejora de su imagen de empresa.

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Figura 1. Comparación entre la captura de datos de información completa y la de umbral establecido

Comparación de datos históricos
Se puede establecer un programa de mantenimiento predictivo si se instalan dispositivos de vigilancia en los puntos críticos. Cada monitor efectúa una captura de datos durante un periodo de actividad razonable (una semana o un mes). Al terminar el muestreo, los datos se descargan y se guardan, y el monitor se reinicia automáticamente para efectuar un nuevo muestreo durante otro periodo similar. Cada conjunto de datos correspondiente a los diversos muestreos se archiva y se compara periódicamente. El conjunto de los datos recogidos a lo largo de periodos de tiempo más largos (un año o más) proporciona a los técnicos un historial completo de la energía suministrada a la planta. Mediante el seguimiento continuo de las variaciones de los datos con intervalos semanales o mensuales, se pondrán de manifiesto condiciones nuevas o las que se estén deteriorando. Los incrementos en la actividad o en la amplitud de los incidentes pondrán de manifiesto los problemas potenciales.

Los instrumentos que emplean umbrales prestablecidos capturan los sucesos “por excepción”; esto es, sólo registran aquellos cuya amplitud es lo bastante grande para ser peligrosos. Tales instrumentos no pueden utilizarse en un programa de mantenimiento predictivo, sólo pueden utilizarse de forma reactiva para realizar análisis post mórtem de los eventos disruptivos.

Al establecerse los umbrales, se crean zonas muertas de medición dentro de la curva de tolerancia a las bajadas de tensión. Los sucesos que se producen en estas zonas, incidentes que todavía no son importantes, pero que pueden ser indicadores de futuros problemas, se perderán por completo. La monitorización de la información total utiliza umbrales restrictivos adaptables, recogiendo todos los eventos para establecer una base de partida precisa para futuras comparaciones.

El objetivo de una estrategia de monitorización completa de la energía es mejorar la disponibilidad. La recopilación de datos es sólo la primera parte del proceso; el paso siguiente es transformarlo en información útil para describir el comportamiento del sistema, de forma que se puedan llevar a cabo las acciones necesarias para asegurar la futura disponibilidad. Este análisis se efectúa mediante un nuevo software que se ejecuta en un ordenador personal.

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Figura 2. Cálculo del índice de calidad de energía

Índice de calidad de la energía
La calidad de la energía no es un concepto simple. No existe un parámetro único para describirla, por lo que es difícil describir de manera rápida un cambio de calidad. Una de las innovaciones que se han introducido es definir un Índice de Calidad de la Energía (PQI, por sus siglas en inglés), basado en las variaciones de tensión en la instalación, que se expresa mediante un número.

A una energía perfecta se le asigna un PQI igual a cero, mientras que a aquellos sucesos que, por ejemplo, estén situados en la curva CBEMA, se les asigna un valor 100, como se muestra en la figura 2. A los sucesos situados entre las dos curvas y a los que estén fuera de ella se les asigna un valor proporcional a la distancia que les separa de dicha curva. La media cuadrática de los sucesos individuales de un emplazamiento se presenta como el PQI de dicho emplazamiento correspondiente al periodo de observación, junto con el máximo PQI del mismo periodo. La comparación de los PQI obtenidos en una serie de observaciones en un emplazamiento determinado proporciona una apreciación muy rápida de la tendencia de la calidad de la energía y da una idea de dónde concentrar los esfuerzos.

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Figura 3. Gráficos del índice de calidad de la energía en cuatro ubicaciones

La figura 3 muestra los gráficos de los valores medios del índice de calidad de la energía correspondientes a cuatro monitores de supervisión instalados en cuatro ubicaciones de una planta industrial.

Los gráficos muestran que, cuando se está deteriorando la calidad de la energía, el índice aumenta, y cuando la calidad de la energía mejora o si la calidad de la energía está fluctuando, el índice desciende.

En este ejemplo, el índice del monitor instalado en el armario de la red muestra la situación más estable, mientras que el índice del monitor del vestíbulo asciende a ritmo más rápido y es el que más fluctúa.

Es de esta manera como se evidencia qué puntos cuentan con energía de peor calidad en comparación con otros; es por este motivo que conviene, en primer lugar, llevar a cabo una investigación. En caso de que se deje que el índice continúe creciendo, la ubicación correspondiente sufrirá inevitablemente alguna consecuencia indeseable. Una vez que se hayan tomado medidas para corregir la situación el PQI debe empezar a disminuir. Así, el PQI no es únicamente predictivo, sino que ahora permite la identificación de los problemas que van en aumento; asimismo, es retrospectivo, ya que permite confirmar la eficacia de las acciones realizadas.

El monitoreo de información total, en conjunto con herramientas de software, permite establecer una línea de partida de las condiciones del sistema de alimentación de energía y sentar las bases para una comparación a corto y largo plazo. Esto permitirá la utilización del mantenimiento predictivo para la detección de los problemas incipientes, antes de que se produzca la falla en el sistema de distribución y proporcionará la información necesaria para conseguir un tiempo de parada por averías igual a cero.
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Con información de Leonardo Power Quality Initiative

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