Principales desafíos de diseño eléctrico en centrales eléctricas modernas: Visión general completa

Central eléctrica, estación de potencia y planta de generación eléctrica son nombres comunes usados por centrales eléctricas. Las centrales son esenciales para la vida moderna cotidiana. No habría televisión, internet, electricidad ni luces. La generación de energía existe desde finales de 1800, cuando agua de un lago se usaba para alimentar dinamos Siemens. La electricidad suministraba energía a luces, calefacción, producía agua caliente, hacía funcionar un ascensor así como dispositivos de ahorro de mano de obra y edificios de granja.

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Una central eléctrica es una instalación industrial para generación de energía eléctrica. Cada central puede contener numerosos generadores para convertir potencia mecánica en eléctrica. El nivel de ingeniería requiere múltiples consideraciones antes de siquiera imaginar la implementación. ¿Cuáles son algunos problemas de diseño eléctrico de centrales eléctricas que enfrentan instalaciones hoy? ¿Y qué soluciones comunes diarias han ayudado a remediar estos issues?

Instalación de generación en central eléctrica

Hasta recientemente el objetivo principal de sistemas eléctricos era garantizar operación ininterrumpida de iluminación, procesos y sistemas ambientales de una instalación. Este modelo muy simple se derivó durante principios del siglo XX, cuando el consumo de energía provenía principalmente de cargas lineales. En años recientes, cargas no lineales como motores de velocidad variable, controladores lógicos programables y otros equipos eléctricos se han vuelto la norma. Comparadas con cargas lineales, estas cargas no lineales son mucho más sensibles a sobretensión, subtensión y otras perturbaciones que siempre han existido en la línea de potencia de la utility. Tales perturbaciones rutinarias pueden causar problemas desde fallos menores de equipos a paradas costosas del sistema y daño a equipos. Adicionalmente, dispositivos no lineales pueden crear sus propias perturbaciones de potencia, que pueden causar problemas en otras partes de la planta y pueden retroalimentarse al sistema de distribución de la utility. La mayor dependencia en cargas no lineales ha añadido nuevos objetivos a diseño de sistemas eléctricos. Mientras el suministro garantizado de potencia sigue siendo crucial, issues de fiabilidad y calidad de potencia se vuelven primordiales, y requisitos de capacidad han aumentado. Además, la necesidad continúa de controlar uso y coste de energía para seguir competitivos. Ante estos desafíos, ingenieros eléctricos deben evaluar el riesgo de experimentar problemas de fiabilidad y calidad de potencia y evaluar el impacto económico de problemas e implementar un programa de gestión de riesgo coste-efectivo.

Suministro de energía fiable

Un suministro de energía fiable es aquel que entrega electricidad suficientemente para servir la carga de una instalación en el grado de calidad de potencia deseado, y que proporciona suficiente potencia durante restricción u otras condiciones de emergencia para asegurar seguridad de personal y protección de procesos cruciales y equipos de proceso. El diseño eléctrico de central que puede anticipar requisitos de carga demandados por la instalación rara vez es cercano a ideal. Es necesario que ingenieros de planta realicen un perfil de carga de la instalación. El perfil proporcionará al equipo de gestión una comprensión profunda de cómo el consumo eléctrico de la instalación varía por intervalo de tiempo deseado. Un método para identificar patrón de carga de servicio eléctrico es conducir análisis a través de gráficos de demanda. O alternativamente utilizar sistemas de medición para transmitir datos con información durante picos de uso. La instrumentación es esencial para monitorizar continuamente sistemas eléctricos e informar operadores de su rendimiento y eficiencia.

Suministro de energía no fiable

Calidad de potencia

En términos de calidad de potencia, el servicio utility convencional no es 100% fiable. Para algunos clientes utility dispuestos a pagar prima, el suministro puede hacerse más cercano a 100% fiable. Incluso en este nivel mayor de fiabilidad, puede ser necesario para algunos usuarios proporcionar sistema de acondicionamiento de potencia interno. A pesar del uso de diagnósticos y medidas preventivas por ingenieros de planta, cortes inesperados y otros fallos ocurren. En tales situaciones, un sistema eléctrico de planta bien gestionado proporciona energía de emergencia, al menos suficiente para permitir apagado de equipos. La energía de respaldo puede ser suministrada por generadores auxiliares o un dispositivo conocido como suministro de energía ininterrumpida (UPS). En un número creciente de plantas, puede ser económicamente factible proporcionar generación de potencia in situ a través de un sistema de cogeneración. Los sistemas de cogeneración utilizan residuos o combustibles comprados para generar potencia y recuperar calor desperdiciado.

Suministro de energía ininterrumpida

Fuentes de problemas de calidad de potencia

Aunque hoy utilities usan hardware y software avanzado en sus subestaciones y sistemas de distribución, ocurren perturbaciones de potencia. Estas pueden resultar de:

• Fallas de transmisión
• Fallas de conmutación en sistema de distribución
• Rayos
• Operación simultánea de equipos

En muchos casos las perturbaciones pueden rastrearse a problemas de cableado y puesta a tierra dentro de la propia planta. Perturbaciones comunes son cortes, subtensión, sobretensión, picos, hundimientos, sobretensiones transitorias o ruido. Estas perturbaciones pueden variar en duración desde cortes sostenidos durando varias horas a sobretensiones durando solo microsegundos, indiscernibles para ingenieros de planta.

Rayos causando problemas de calidad de potencia

Equipos eléctricos antiguos como motores, solenoides y controles electromecánicos son largely unaffected by disturbances of short duration. Sin embargo, equipos electrónicos de estado sólido son far most susceptibles a una amplia gama de perturbaciones. Esta vulnerabilidad proviene de la forma en que el dispositivo electrónico consume la potencia de corriente alterna (CA) suministrada. Dispositivos electrónicos que no pueden convertir potencia CA a corriente continua (CC), pueden tener issues incluyendo:

• Interrupción del dispositivo
• Errores de datos
• Pérdida de memoria
• E incluso apagados

En el peor escenario, algunos dispositivos pueden sufrir daño.

Consideraciones para corregir problemas de calidad de potencia

Hay varios tipos de remedios disponibles para proteger equipos de estado sólido, sensibles a potencia, de perturbaciones de potencia; la mayoría son simples y baratos. Adicionalmente, perturbaciones pueden prevenirse totalmente acondicionando el suministro de potencia para suavizar forma de onda senoidal (Detalles Aquí). Como el equipo de acondicionamiento de potencia es costoso, está mejor adaptado solo para aplicaciones que requieren el más alto grado de potencia.

• Cableado y puesta a tierra
  Aproximadamente el 80% de problemas de calidad de potencia en instalaciones comerciales e industriales pueden rastrearse a problemas con puesta a tierra impropia, cableado inadecuado, conexiones sueltas, y acumulación de polvo y suciedad por malas prácticas de mantenimiento. La importancia de una buena puesta a tierra de baja resistencia no puede sobreenfatizarse, especialmente ya que sistemas de estado sólido dependen de la puesta a tierra para referencia para operar y disipar potencia perdida que podría causar daño si queda en el circuito. Esta es una medida de prevención de bajo coste para problemas de calidad de potencia.
• Circuitos dedicados
  La mayoría de perturbaciones de potencia en forma de ruido se generan dentro de la propia planta. Como resultado, un método efectivo de proteger equipos cruciales o altamente sensibles es ubicar el equipo en su propio circuito aislado para protegerlo de perturbaciones causadas por otros equipos en proximidad.
• Supresor de picos
  Los supresores de picos reducen la amplitud de picos de voltaje a niveles seguros y pueden eliminar muchos cambios repentinos en voltaje. Son los dispositivos protectores más simples y menos costosos; sin embargo, su capacidad depende de la calidad del supresor comprado.
• Transformadores de aislamiento
  Los transformadores de aislamiento filtran ruido y distorsión eléctrica de otros equipos in situ o potencia entrante. No pueden, sin embargo, proteger contra otros tipos de perturbaciones como picos y sobretensiones.
• Reguladores de voltaje
  Los reguladores de voltaje mantienen un voltaje relativamente constante protegiendo contra sobretensiones y hundimientos mediante medios mecánicos o eléctricos. Esta opción es más costosa que las listadas arriba, pero está en el punto medio del espectro de coste para dispositivos de mejora de potencia.
• Suministro de energía ininterrumpida (UPS)
  Un UPS protege contra interrupciones de potencia a corto plazo y perturbaciones de potencia externas. Sistemas UPS típicamente consisten en rectificador/cargador, banco de baterías, inversor estático y bypass automático o manual. Ofrece protección contra todos los problemas de calidad de potencia, incluyendo cortes momentáneos. Protección contra cortes sostenidos está limitada al tamaño del banco de baterías. UPS no protege contra transitorios, hundimientos, hinchazones u otras anormalidades.

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