Sistemas de Grupos Electrógenos de Emergencia: Construcción, Instalación, Mantenimiento y Cableado para un Suministro Fiable

Visión General de los Grupos Electrógenos de Emergencia

(Manuel Bolotinha)

Introducción a los Grupos Electrógenos de Emergencia

Hospitales, aeropuertos, centros comerciales y edificios de oficinas, por mencionar solo algunos ejemplos, son muy sensibles en lo que respecta a la seguridad de personas y bienes ante cortes de suministro provocados por fallos en redes de distribución de media (MT) y baja tensión (BT) e incluso en redes de transporte de alta tensión (AT^[1]).

Cuando se produce un corte de suministro, es necesario que los sistemas de comunicaciones, alumbrado de emergencia, ventiladores de extracción de humos, estaciones de bombeo de agua contra incendios, seguridad, iluminación en edificios y otros sistemas y equipos eléctricos críticos, designados como cargas esenciales (o críticas), continúen funcionando.

Para resolver estos problemas, la solución común es la instalación de grupos electrógenos diésel de emergencia en BT, cuyas aplicaciones, características y procedimientos de instalación deben cumplir la Norma IEC^[2] 60034.

Potencia Nominal y Puesta a Tierra del Neutro del Generador de Emergencia

La potencia nominal de los grupos electrógenos diésel de BT^[3] depende del régimen de operación: espera (standby), principal (prime) y continuo, según lo definido en la Norma ISO^[4] 8528.

En régimen de espera, la potencia disponible suministrada por el grupo electrógeno varía con el valor de la carga durante la ausencia de suministro normal y la potencia media de salida es el 70 % de la potencia nominal de emergencia. El funcionamiento típico de este régimen es de 200 horas al año con un máximo de 500 horas al año.

En régimen principal, la potencia disponible suministrada por el grupo electrógeno varía con el valor de la carga por tiempo ilimitado y la potencia media de salida es el 70 % de la potencia nominal principal. La demanda punta típica es del 100 % de los kW nominales principales^[5] con 10 % de capacidad de sobrecarga para emergencia durante un máximo de 1 hora cada 12 horas; el funcionamiento en sobrecarga no debe superar las 25 horas al año.

En régimen continuo, la potencia de salida está disponible sin variación de carga por tiempo ilimitado. La potencia media de salida es del 70–100 % de la potencia nominal continua. La demanda punta típica es del 100 % de los kW nominales continuos durante el 100 % de las horas de operación.

Según las definiciones anteriores, es fácil comprender que el mismo grupo electrógeno tiene diferentes potencias nominales para cada régimen de operación. La potencia nominal en régimen de espera es superior a la potencia nominal en régimen principal, que a su vez es superior a la potencia nominal en régimen continuo.

La potencia nominal de los grupos electrógenos puede expresarse en kVA o kW para un cos Φ (Factor de Potencia)^[6] = 0,8. También es necesario definir la frecuencia de red (50 Hz o 60 Hz).

En la Tabla 1, a modo de ejemplo, se muestran los valores de potencia nominal (kVA) de algunos grupos electrógenos del mismo fabricante y serie de fabricación, según el régimen de operación (f = 50 Hz).

Tabla 1 – Ejemplos de potencia nominal de grupos electrógenos de emergencia según régimen de operación

Dado que la red de BT que el grupo electrógeno alimentará eléctricamente está aislada y presenta cargas desequilibradas, el punto neutro de los devanados del alternador^[7] se conecta directamente a tierra, ya que este sistema de puesta a tierra del neutro mejora el comportamiento del alternador con este tipo de cargas.

Construcción y Componentes de los Grupos Electrógenos de Emergencia

Consideraciones Generales

Los componentes principales de un grupo electrógeno son (ver Figura 1):

• Motor
• Alternador
• Bastidor principal/Chasis.
• Batería de arranque y cargador.
• Sistema de lubricación.
• Sistemas de refrigeración y escape, incluido el radiador.
• Sistema de combustible.
• Regulador de tensión
• Tubería de escape y silenciador.
• Panel de control y monitorización.

Figura 1 – Componentes principales de un grupo electrógeno

Motor

El motor, que debe cumplir la Norma ISO 3046, es una máquina de combustión interna, ciclo de cuatro tiempos y normalmente alimentada por diésel (existen también modelos alimentados por gas). La potencia del motor debe ser adecuada para la potencia nominal del alternador.

Componentes principales del motor son:

• Regulador electrónico de velocidad, normalmente con una variación de ± 0,25
• Control de aceleración y palanca de marcha y parada
• Anillo de acero estándar para asegurar una conexión rígida al sistema de acoplamiento de la carcasa del alternador
• Volante y acoplamiento elástico para acoplamiento del alternador

El motor debe arrancar y funcionar al menos 8 horas a plena carga, seguidas de 1 hora con sobrecarga del 10 % bajo las condiciones de temperatura especificadas. El motor debe tener arranque eléctrico, cuyo tiempo no debe ser superior a 10 s.

La refrigeración del motor puede realizarse mediante circulación de aire o agua, en circuito cerrado con radiador. Para mejorar el arranque del motor, debe preverse un sistema de precalentamiento de aceite, agua o aire de combustión (normalmente resistencias), que debe funcionar con el aumento de temperatura de la grasa del cárter.

Alternador

El alternador es de tipo síncrono, monofásico o trifásico, autoexcitado, regulado y ventilado; la ventilación del alternador se realizará mediante una turbina coaxiales al eje.

Características principales de los alternadores:

• Tensión nominal: 230 V (alternadores monofásicos); 400/230 V (alternadores trifásicos).
• Frecuencia nominal: 50 Hz o 60 Hz.
• Potencia nominal (según régimen de operación – ver Sección 2).
• Factor de potencia: normalmente 0,8.
• Clase de aislamiento: normalmente H.

La clase de aislamiento de los alternadores se establece, según la Norma IEC 60085, considerando la temperatura máxima que pueden soportar los devanados, ya que la temperatura es frecuentemente el factor principal que contribuye al envejecimiento del material aislante. En la Tabla 2 se muestran las clases de aislamiento de los alternadores.

Tabla 2 – Clases de aislamiento de alternadores

Otras características de los alternadores que deben considerarse son:

• Supresión de interferencias radioeléctricas.
• Distorsión armónica: ≤ 2 % en vacío; ≤ 3,5 % con carga equilibrada.
• Regulación de tensión: ±1,5 % para variaciones de vacío y plena carga, factor de potencia entre 0,8 y 1 y variaciones de velocidad de ± 4,5 %.
• Capacidad de recuperar la tensión hasta el 3 % de la tensión nominal en 3 s, cuando se aplica plena carga repentinamente con cos Φ = 0,8.
• Capacidad de soportar corrientes de cortocircuito hasta el 300 % de la corriente nominal durante 5 s antes de la actuación de los dispositivos de protección internos.

Otros Componentes y Sistemas

El bastidor de montaje del motor y alternador (e incluso del depósito diario de diésel) se construye normalmente con perfiles de acero normalizados, soldados eléctricamente, y se instalarán soportes antivibratorios; estos perfiles deben calcularse para que la oscilación vertical propia sea de aproximadamente 7 Hz.

La batería de arranque es de tipo plomo-ácido y está conectada a un cargador de baterías que asegura la carga de mantenimiento de la batería y se instala normalmente en el panel de control y monitorización.

La tubería de escape debe incluir un silenciador (ver Figura 2) y una conexión flexible desde la salida de escape del motor hasta la tubería de salida. Tanto el silenciador como la tubería deben estar aislados térmicamente con lana de vidrio recubierta con chapa de aluminio.

Figura 2 – Tubería de escape de un grupo electrógeno

El sistema de combustible incluye el depósito diario (con indicador de nivel y contactos de nivel máximo y mínimo) y debe tener capacidad suficiente para que el grupo electrógeno funcione durante un período definido, a plena carga nominal para el régimen de operación establecido.

Este sistema puede incluir también un eventual cisterna de diésel, bombas de trasiego al depósito diario (manual y eléctrica) y la tubería necesaria.

Panel de Control y Monitorización

En el panel de control y monitorización se instalarán los siguientes equipos:

• Equipos de medida (amperímetros; voltímetros; frecuencímetro).
• Equipos de control y monitorización: pulsadores de marcha y parada; manómetro de aceite; termómetro de agua.
• Interruptor de control con 4 posiciones: Automático/Manual/Prueba/Fuera de servicio.
• Sistema automático de arranque y parada del grupo electrógeno.
• Interruptor automático para protección del alternador.
• Lámparas de señalización.
• Parada de emergencia del motor.
• Cargador de baterías (ver Sección 3.4).
• Equipos de control y monitorización para todos los componentes auxiliares del grupo electrógeno.

Procedimientos de Instalación de Grupos Electrógenos de Emergencia

Los grupos electrógenos se instalan habitualmente en interiores, en un local dedicado, que debe disponer de rejas de entrada y salida de aire, calculadas para asegurar el caudal de aire necesario para la refrigeración de los equipos.

La reja de salida de aire se instala frente al radiador y debe permitir un desmontaje fácil para la extracción del grupo electrógeno. En situaciones donde no sea posible asegurar el caudal de aire necesario para la refrigeración del grupo electrógeno, es necesario instalar el radiador separado del motor.

En estos casos, la refrigeración del grupo electrógeno se realiza mediante circulación de agua dulce en circuito cerrado, usando una bomba centrífuga. La temperatura se controla termostáticamente y la disipación de calor se logra mediante radiador, instalado en el circuito primario, y un ventilador. El radiador debe tener un bajo nivel de ruido y montarse sobre soportes antivibratorios.

La Figura 3 muestra un ejemplo de lo explicado anteriormente.

Figura 3 – Esquema de instalación de grupo electrógeno con radiador separado

Si el nivel de ruido del grupo electrógeno es demasiado alto según la normativa acústica, especialmente cuando el equipo se instala en exteriores, el grupo electrógeno debe instalarse dentro de una cabina insonorizada, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4 – Grupo electrógeno dentro de cabina insonorizada

Mantenimiento de Grupos Electrógenos de Emergencia

Como se mencionó en la Sección 1, los grupos electrógenos desempeñan un papel crítico en la seguridad de personas y bienes de ciertas instalaciones eléctricas, por lo que es importante establecer un programa de mantenimiento riguroso que debe incluir:

• Puesta en marcha mensual, o quincenal, en vacío durante 4 horas (para garantizar que arrancará cuando sea necesario).
• Arranque manual.
• Arranque del grupo electrógeno ante ausencia de tensión de red y verificación del funcionamiento del conmutador automático.
• Inspección visual.
• Verificación de la conexión a tierra del neutro y de todas las partes metálicas.
• Verificación del nivel de aceite y
• Estado de la batería (inspección visual; medición de tensión de los elementos; estado del electrolito).

Arranque del Generador. Sistema de Transferencia Automática

El arranque del grupo electrógeno será automático, cuando se produzca una subtensión o una tensión de secuencia negativa en la red de suministro y se realiza mediante un sistema de automatismo instalado en el panel de control y monitorización del grupo electrógeno. Este sistema de automatismo proporcionará también la desconexión y la parada del grupo electrógeno cuando la tensión de red vuelva a la normalidad.

El sistema de automatismo referido controlará el sistema de transferencia automática, en adelante denominado conmutador automático, y debe asegurar un número de intentos de arranque consecutivos (nunca menos de 3) con un tiempo entre intentos que sea el tiempo requerido para la regeneración de la batería.

El conmutador automático, que preferiblemente se instalará en el cuadro general de entrada, debe realizar la transferencia de las cargas esenciales al suministro del grupo electrógeno cuando se produzca una perturbación en la tensión de red y realizar la retransferencia de esas cargas al suministro de red cuando la situación vuelva a la normalidad.

El conmutador automático puede construirse con 2 de los siguientes equipos:

• Interruptores automáticos.
• Seccionadores bajo carga.
• Contactores.

Estos equipos deben tener entrelazado mecánico y eléctrico para evitar la conexión en paralelo entre la red y el grupo electrógeno.

Todos los cuadros deben disponer de equipos de seccionamiento (interruptor automático; seccionador bajo carga; contactor) para separar las cargas entre esenciales y no esenciales, evitando que estas cargas sean alimentadas por el grupo electrógeno.

La Figura 5 muestra un ejemplo de diagrama esquemático de un sistema de transferencia.

Figura 5 – Diagrama esquemático de sistema de transferencia

Cableado y Conexión de Generador Portátil

Puede cablear y conectar un generador portátil al sistema de suministro doméstico mediante tres métodos aquí.

^[1] AT: U_s ≥ 60 kV; MT: 1 kV < U_s ≤ 49,5 kV; BT: U_s ≤ 1 kV. U_s es la tensión nominal de la red.

^[2] IEC: Comisión Electrotécnica Internacional.

^[3] En adelante usaremos la expresión grupos electrógenos para referirnos a grupos electrógenos diésel de emergencia en BT.

^[4] ISO: Organización Internacional de Normalización.

^[5] ekW: Potencia activa eléctrica.

^[6] cos Φ: factor de potencia.

^[7] Ver Sección 3.3.

Sobre el Autor: Manuel Bolotinha

-Licenciatura en Ingeniería Eléctrica – Energía y Sistemas de Potencia (1974 – Instituto Superior Técnico/Universidad de Lisboa)
– Máster en Ingeniería Eléctrica y de Computadores (2017 – Facultad de Ciencias y Tecnología/Universidad Nova de Lisboa)
– Consultor Senior en Subestaciones y Sistemas de Potencia; Instructor Profesional