Universidad Simón Bolívar Departamento de Conversión y Transporte de Energía Subestaciones Eléctricas Trabajo Investigati Investigativo vo
Bancos y Cargadores de baterías
Jhoanelis Marcano 13-10803
Sartenejas, Noviembre del 2017
Bancos de baterías
Bancos de baterías
Las baterías forman una parte importante de las subestaciones transformadoras, ya que tienen como función principal almacenar la energía que se utiliza en el disparo de los interruptores, por lo que deben hallarse siempre en óptimas condiciones de funcionamiento. Dichas baterías forman parte de los servicios auxiliares de la subestación. El sistema de baterías se utiliza para energizar: protecciones lámparass piloto lámpara registrador de eventos circuito de transferencia de potenciales sistemas contra incendio equipo de onda portadora equiposs de micro onda equipo control de los interruptores de AT y BT control de los s eccion eccionadores adores alarmas iluminación de emergencia sistemas ininterrumpido de energía (UPS) En las subestaciones se pueden instalar baterías del tipo ácido ó alcalino. Antiguamente se instalaban en la mayoría de los casos las de primer tipo por ser las más baratas y tenían una larga vida útil, la cual es ligeramente inferior inferior a las alcalinas. Una ventaja de las del tipo ácida es su característica constructiva que permite conocer el estado de la carga que almacena la batería en función de la densidad del electrolito, pero tienen otros inconvenientes, como el mantenimiento, se necesita disponer de locales más amplios y que reúnan ciertas condiciones. En la actualidad se emplean los acumulado acumuladores res alcalinos (níquel-cadmio), pero todavía es posible encontrar los primeros. Las baterías se instalan en un cuarto cerrado, que forma parte del edificio principal de la subestación, y lo más cerca posible de los tableros para reducir redu cir al máximo la longitud de los cables y por lo tanto la posib posibilidad ilidad de la aparición de sobretensiones, por acoplamiento capacitivo o inductivo. Los cuartos en que se instalan las baterías del tipo ácido, deben estar provisto de un extractor de gases, que deberá ponerse en funcionamiento antes de la apertura de la puerta de entrada del personal, con el fin de eliminar la posibilidad acumulación de hidrógeno que se desprende durante la descarga intensa de las baterías que, en presencia de alguna chispa originada en la ropa de la personal (electricidad estática) que entra, puede provocar una explosión.
Los locales destinados destinados a baterías deben ser secos, bien ventilados y sin vibracion vibraciones es que puedan originar desprendimientos excesivos de gases y desgaste prematuro de las placas. La temperatura temperatura ambiente debe d ebe variar entre los 5 y 25 grados centígrados. centígrados. La instalació instalación n eléctrica deberá ser del tipo anti-explosiva. El suelo debe ser a prueba de ácido o álcali, según sea el tipo de batería y deberá tener una ligera pendiente con un canal de desagüe, para evacuar rápidamente el líquido que se pueda derramar o el agua de lavado. Las paredes techo y ventanas deben recubrirse con pintura resistente al ácido o los álcalis según se trata
Tipos de Baterías
Tipos de baterías Hay muchos tipos de tecnología de baterías principales y subtipos: 1. Plomo-ácido: La reacción química básica de plomo-ácido en un electrolito de ácido sulfúrico, donde el sulfato del ácido es parte de la reacción, es: PbO2 + Pb + 2H2 SO4 PbSO4 + 2H2 + 1/2 O2 El ácido se reduce durante la descarga y se regenera durante la recarga. Durante la descarga y la carga de flotación (porque la carga de flotación contrarresta la auto-carga) se forman hidrógeno y oxígeno. En baterías inundadas se escapan y hay que añadir agua periódicamente. En baterías VRLA selladas los gases de hidrógeno y oxígeno se combinan para formar agua. Adicionalmente, en las baterías VRLA el ácido queda inmovilizado por AGM o en un gel. La mata es parecida al aislante de fibra de vidrio que se usa en las casas. Atrapa el hidrógeno y oxígeno formados durante la descarga y les permite migrar y reaccionar para que vuelvan a formar agua. Por esta razón VRLA nunca necesita añadir agua como las baterías inundadas (húmedas, ventiladas) de plomo-ácido. Una batería tiene placas positivas y negativas alternadas y separadas por goma micro porosa en las de plomo-ácido inundadas, AGM en las de VRLA, ácido gélido en las de gel VRLA o plástico en las de níquel-cadmio. Todas las placas de la misma polaridad están soldadas unas con otras y con el terminal apropiado. En el caso de las celdas VRLA la compresión del “sándwich” placa-mata-placa se extiende para mantener un buen contacto entre ellas. Además hay una válvula de alivio de la presión (PRV) que se autoresella para ventilar los gases en caso de sobrepresión. Según su construcción estas se subdividen en: Inundada (húmeda): plomo-calcio, plomo-antimonio Plomo-ácido regulada por válvula (VRLA), VRLA (sellado): plomo-calcio, plomoantimonio-selenio AGM Gel Placa plana Placa tubular 2. Níquel-cadmio: La química de níquel-cadmio es similar a la de plomo-ácido en algunos aspectos, en cuanto a que hay dos metales distintos en un electrolito. La reacción básica en un electrolito de hidróxido potásico (alcalino) es: 2 NiOOH + Cd +2 H2 O Ni(OH)2 + Cd(OH)2 Sin embargo, en las baterías de níquel-cadmio el hidróxido potásico (KOH) no entra en la reacción como el ácido sulfúrico que entra en la reacción de las baterías de plomo- ácido. La construcción es similar a las de plomo-ácido en cuanto a que hay placas positivas y negativas alternadas sumergidas en un electrolito. No muy frecuentes, pero sí disponibles, son las baterías de níquel-cadmio selladas. Según su construcción estas se subdividen en: Inundada Sellada Placa de bolsillo
Placa plana
Figura 6: Tipos de batería (Tritec.Intervento)
Características Constructivas
Características constructivas BATERÍAS Todos los materiales poliméricos utilizados en las baterías deberán ser inertes, en relación al electrolito. Deberán presentar estabilidad química frente al ácido o material activo, así como estabilidad dimensional frente a la temperatura. Recipiente contenedor El vaso contenedor será de material plástico, construido en una sola pieza (inyectado), resistente a la acción de los electrolitos y con características térmicas y mecánicas que aseguren su indeformabilidad. Terminales Los terminales positivos y negativos de la batería serán de plomo sin insertos de cobre, se identificarán mediante pintura o rótulo de forma indeleble e inalterable por agentes corrosivos. Válvula Las válvulas deben ser de material inerte y resistente al electrolito, del tipo VRLA (regulada por válvula). Barras de interconexión Las barras de interconexión serán parte del suministro. Estas deberán tener protección contra la corrosión, y ser cubiertas con aislante, para prevenir cortocircuitos durante el montaje, además de tener alta resistencia mecánica y térmica. Estructura de almacenaje Sera opcional el uso de estructura metálica o armario, para alojar las baterías. En caso de ocupar estructura metálica, esta deberá contar con el adecuado tratamiento anticorrosivo y antiácido, el que será sometido a la aprobación del Cliente. Constara de dos niveles, en donde serán colocadas las baterías. Deberá tener fácil acceso a cada batería para el mantenimiento y control de tensión. Para el caso del armario, este será metálico. Las baterías se montaran en los compartimientos inferiores, sobre bandejas deslizantes, de forma de que se pueda acceder cómodamente a todas las baterías. El diseño del armario, deberá garantizar la adecuada ventilación y temperatura de las baterías. Las dimensiones del armario deberán ser las adecuadas, para la cantidad y tipo de baterías ocupadas por el Cliente.
CARGADOR El equipo cargador para bancos de batería, podrá ser con tecnología a tiristores o por tecnología conmutada. Para esta última se aceptara la conexión en paralelo de cargadores, para alcanzar la corriente de salida necesaria. El circuito de entrada estará protegido mediante un interruptor termo magnético de calibre adecuado. Este interruptor no deberá actuar como consecuencia de la conexión del cargador a la red en ningún régimen de explotación ni por sobrecargas o cortocircuitos externos al cargador. Este interruptor será bipolar con dos elementos activos. El cargador limitará automáticamente su corriente de salida en caso de sobrecargas o cortocircuitos externos al equipo y funcionará permanentemente conectado con la batería y el consumo.
Gabinete: El gabinete será de acero, para anclaje al piso, auto soportable de uso interior y con terminaciones fijas y ventanillas para la ventilación y evacuación de calor que emiten los disipadores. El acceso deberá ser por una puerta frontal, con cubierta posterior removible. La entrada de los cables será posterior o por la parte inferior de éste. Placas: Las placas de las baterías se construirán sobre una rejilla de aleación de PbCa para lograr una adecuada resistencia mecánica a las variaciones volumétricas de las placas, cuya proporción no sea mayor a 4 %. Se empastarán con material activo PbO para dar porosidad a los efectos de aumentar la superficie de reacción, también se admiten las de placas tubulares. Las placas negativas deben tener una duración y rendimiento similar a las positivas. Los separadores deben ser microporosos y de microfibras de vidrio y alta resistencia al electrólito, son los que contienen al electrolito absorbido o gelificado. Válvula de regulación: La válvula de regulación debe impedir el ingreso de aire al interior de la batería y debe a su vez, permitir el escape de gas generados por la recombinación, hacia el exterior del vaso contenedor por encima de cierta presión, a los efectos de impedir deformaciones u otros daños a las celdas o el vaso contenedor de la batería. Recipientes: Deben ser de material plástico del tipo ABS resistente al electrólito y a los impactos y retardante de las llamas. El recipiente debe exhibir en forma indeleble las identificaciones especificadas en el punto 5 de la presente Norma. La tapa del recipiente estará herméticamente sellada a este, y el pasaje de los dos bornes será perfectamente estanco. Bornes: La polaridad de los bornes debe estar marcada de forma clara e indeleble, los bornes deben estar insertados en el cuerpo de cada batería (conector tipo hembra, serán de Cuy recubierto de Pb) Bastidores: Serán de material aislante a la electricidad o estar recubiertos de un material de estas características. Los apoyos del bastidor serán del tipo que impida la continuidad eléctrica en caso de derrame de ácido por rotura de baterías. Se adjuntará a la oferta planos con las dimensiones de los bastidores ofrecidos indicando los materiales de los mismos. El diseño del bastidor será tal que todos las baterías sean fácilmente accesibles, permitiendo un acceso cómodo para el caso de la realización de medidas de tensión por parte de los operarios. El material de los bastidores será resistente a la corrosión provocada por el electrólito de las baterías. En caso de tratarse de estructuras metálicas, deben contar con un tratamiento anticorrosivo superficial el cual será aprobado previamente.
Requerimientos generales de diseño
Las características de diseño en las que se basan los fabricantes de bancos de baterías deben seguir los parámetros especificados en la normativa IEEE 308, 485, y 946; además los compradores, según las demandas de la sub estación también deben considerar lo siguiente: Realizar previamente método de flujo de carga (incluyendo pérdidas y caída de tensión). Realizar previamente m étodo de sumatoria de ciclos de trabajo. Aplicar factores de corrección de baterías por: Considerar temperatura (Màxima,mìnima y de trabajo) Envejecimiento. Capacidad inicial (Demanda de servicios que suplirá) Margen de diseño. Verificación automática del tamaño de baterías por simulación de descarga. Simulación de descarga de baterías basado en: Adición automática de carga aleatoria a la batería con menor tensión en terminales. Múltiples ciclos de trabajo para simulación de diferentes escenarios prácticos. Ajuste de carga en ciclos de trabajo basado en diversidad de carga y factores de corrección. Configuraciones ilimitadas de sistemas para similar fácilmente diferentes condiciones de emergencia.
Condiciones de servicio
Los bancos de baterías deben ser diseñados y construidos de acuerdo a las condiciones de servicio de la subestación destino, y se debe tomar en cuenta lo siguiente: Las baterías ofrecidas deben estar capacitadas para prestar servicio mixto, alimentar la instalación consumidora con el equipo rectificador conectado. Las baterías deben ser aptas para funcionar en un clima tropical, con temperaturas ambientales que oscilan entre 15 y 40 grados centígrados, con humedad relativa de hasta un 90% y 0-3000 m de altitud. El tipo de válvula de alivio utilizada será a prueba de explosión (flame arrester), además deberá poseer otro agujero con su respectiva tapa para el mantenimiento (maintenance valve). Las baterías deben ser diseñadas y construidas para operar en condiciones húmedas sin que ocurra corrosión en las partes metálicas expuestas. El fabricante debe garantizar, mediante un certificado de fábrica, que las celdas plomo-ácido cargadas en seco se podrán almacenar por un período mínimo de dos años a partir del momento en que lleguen a puerto nacional, sin que esto afecte la primera carga. Este será un requisito indispen sable para la oferta. Cada fabricante debe indicar y probar mediante un certificado de fábrica la vida media de cada banco de baterías ofrecido. Lo debe hacer en términos de la cantidad de ciclos de servicio y también de años de vida útil. Debe ser para un mínimo de 1,000 ciclos, hasta la tensión final por celda y una vida útil mínima de 10 años, lo que se cumpla primero.
IMPORTANTE: Temperatura máxima Temperatura media Humedad relativa máxima Humedad relativa media Para el caso de los cargadores de baterías, serán fabricados con un grado de protección IP 44 s egún la IEC 529.
No debe ser fuente de interferencias electromagnéticas para otros equipos electrónicos adyacentes.
Pruebas a bancos de baterías de una subestación
Antes de entrar en materia de las pruebas a los bancos de baterías dispuestos en una subestación se debe comprender los fallos que pueden suceder en ellos que a su vez son las razones por las que se les realiza pruebas y mantenimientos preventivos. Hay tres razones principales por las que se prueban los sistemas de baterías: Para asegurar que el equipo esté adecuadamente respaldado para prevenir fallos inesperados comprobando el estado de la batería Para advertir/prevenir su agotamiento y hay tres preguntas básicas que los usuarios de las baterías hacen: Para saber cuál es la capacidad y la condición de la batería. Para saber cuándo hay que reemplazarla. Para saber qué se puede hacer para mejorar / no reducir su vida útil. Las baterías son mecanismos químicos complejos. Tienen numerosos componentes como rejillas, material activo, terminales, vaso y tapa, etc. – cualquiera de ellos puede fallar. Como es el caso en todos los procesos de fabricación, por muy buenos que sean, siempre puede ocurrir algo inesperado (y todos los procesos químicos). Una batería contiene dos materiales metálicos distintos en un electrolito. De hecho, puede juntar un penique de cobre y una moneda de cinco centavos de níquel en una mitad de una toronja y tendrá una batería. Evidentemente una batería industrial es más sofisticada que una batería en una toronja. Sin embargo, una batería se tiene que mantener adecuadamente para que funcione como es debido. Un buen programa de mantenimiento de la batería puede prevenir, o por lo menos reducir los costes y daños al equipo crítico ocasionados por un apagón CA. Aunque haya varias aplicaciones para las baterías, las baterías de reserva se instalan solo por dos razones: Para proteger y apoyar el equipo crítico durante un apagón CA Para proteger flujos de ingresos ocasionados por la pérdida del servicio
¿Por qué fallan las baterías? Para entender por qué fallan las baterías desafortunadamente necesitamos saber un poco más de química. Hoy en día se usan dos químicos de baterías principales – plomo-ácido y níquel-cadmio. Hay otros químicos que están llegando, como el litio, que se encuentra en sistemas de batería portátiles, pero todavía no en sistemas fijos. Volta inventó la batería primaria (no recargable) en 1800. Planté inventó la batería de plomo-ácido en 1859 y en 1881 Faure utilizó por primera vez las placas de plomo-ácido. A lo largo de las décadas se fueron refinando y se han convertido en una fuente de potencia de reserva muy importante. Los refinamientos incluyen aleaciones mejoradas, diseños de rejillas, materiales de vasos y tapas y sellos entre vasos y tapas y entre terminales mejorados. El desarrollo más revolucionario fue la regulación por válvula. Muchas otras mejoras en químicos de níquel-cadmio se han desarrollado a l o largo de los años.
Filosofías de mantenimiento Hay varias filosofías y niveles de ambición según la importancia de la carga; debería ser igual en todos lados pero no lo es. Algunos ejemplos: Reemplazar las baterías solo cuando fallen o se agoten. Mantenimiento y pruebas mínimas o nulas. Por supuesto que si no se realizan pruebas algunas y solo considerando los costes de mantenimiento, es la opción más económica, pero a la vez más arriesgada. Hay que considerar las consecuencias al evaluar el análisis de coste-riesgo, ya que los riesgos se asocian con el equipo soportado. Las baterías tienen una vida útil limitada y pueden fallar antes de lo esperado. El tiempo entre apagones normalmente es largo y si son las únicas ocasiones, las baterías muestran altos riesgos de capacidad si no hay repuestos cuando se necesitan. Las baterías de reserva en instalaciones importantes no tienen sentido para un sistema confiable si no se sabe cuál es su estado actual. Reemplazar después de cierto tiempo. Mantenimiento y pruebas mínimas o nulas. Esto también puede ser un enfoque arriesgado. Las baterías pueden fallar antes de lo esperado. Además es una pérdida de capital si las baterías se reemplacen antes de lo necesario. Si las baterías se mantienen adecuadamente, su vida útil puede ser más larga que el tiempo de reemplazo predeterminado.
Un programa de mantenimiento y prueba serio para asegurar que las baterías estén en buena condición, prolongar su vida útil y encontrar el tiempo de reemplazo óptimo. Un programa de mantenimiento incluyendo inspección y pruebas de impedancia y capacidad es la manera de comprobar el estado de la batería. Se encontrarán degradaciones y fallos antes de que se conviertan en algo serio y se pueden evitar sorpresas. Los costes de mantenimiento son más altos, pero a la vez se garantiza la confiabilidad requerida para un sistema de r espaldo. El mejor esquema de prueba es un balance entre costes de mantenimiento y riesgos de perder la batería y el equipo soportado. Por ejemplo, en algunas subestaciones de transmisión hay más de $10 millones por hora que fluyen a través del sistema. ¿Cuál es el coste de no mantener los sistemas de batería en esas subestaciones? Una batería de $3000 es insignificante comparada con los millones de dólares en pérdidas. Cada compañía es diferente y debe evaluar individualmente el coste-riesgo del mantenimiento de baterías.
¿Cómo mantener la batería?
Hay muchos estándares y prácticas empresariales para pruebas de baterías. Normalmente comprenden inspecciones (observaciones, acciones y mediciones bajo condiciones de flotación normal) y pruebas de capacidad. Los estándares IEEE más conocidos son: IEEE 450 para plomo-ácido inundado
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IEEE 1188 para plomo-ácido sellado
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IEEE 1106 para níquel-cadmio
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IEEE 450 “Prácticas recomendadas para mantenimiento, prueba y reemplazo de baterías de plomo ácido ventiladas para aplicaciones estacionarias” describe la frecuencia y el tipo de
mediciones necesarias para validar la condición de la batería. El estándar cubre inspecciones, pruebas de capacidad, acciones correctivas, criterios de reemplazamiento de baterías, etc. Abajo hay una descripción resumida del mantenimiento, para las instrucciones completas vea los estándares IEEE450
Inspecciones Las inspecciones mensuales incluyen apariencia y mantenimiento de voltaje en serie, voltaje de rizado, corriente de rizado, corriente y voltaje de salida del cargador, temperatura ambiente, temperatura de voltaje y electrolito en las celdas piloto, corriente de carga de flotación de la batería o gravedad específica en las celdas piloto, baterías puestas a tierra sin intención, etc. Las inspecciones cuatrimestrales incluyen las mismas mediciones que las inspecciones mensuales y además la tensión de cada celda, gravedad específica del 10% de las celdas de la batería y corriente de carga flotante, temperatura de una muestra representativa del 10% o más de las celdas de la batería. Una vez al año se debería extender una inspección cuatrimestral con gravedad específica de todas las celdas de la batería, temperatura de cada celda, resistencia de celda a celda y conexión de terminal en toda la cadena.
Prueba de capacidad (prueba de descarga) En la instalación (prueba de aceptación) En los primeros dos años de servicio Periódicamente. Los intervalos no deberían ser más del 25% de la vida útil esperada. Anualmente cuando las baterías muestren signos de degradación o han alcanzado el 85% de la vida útil esperada. La degradación es indicada cuando la capacidad de la batería baja más del 10% de su capacidad en pruebas previas o está por debajo del 90% de lo establecido por el fabricante. Si la batería ha alcanzado el 85% de su
vida útil, pero presenta el 100% de lo establecido por el fabricante y no tiene signos de degradación, puede ser probada en intervalos de dos años hasta que muestre signos de degradación.
IEEE 1188 “Prácticas recomendadas para mantenimiento, prueba y reemplazo de baterías de plomo-ácido reguladas por válvula para aplicaciones estacionarias” describe la frecuencia
y el tipo de mediciones necesarias. Abajo hay una descripción resumida del mantenimiento, para las instrucciones completas vea los estándares IEEE 1188. Inspecciones Las inspecciones mensuales incluyen voltaje de flotación del terminal de la batería, voltaje y corriente de salida del cargador, temperatura ambiente, inspección visual y corriente de flotación CD por cadena. Las inspecciones cuatrimestrales incluyen las mismas mediciones que las inspecciones mensuales y además el valor de impedancia de la celda/unidad, temperatura del terminal negativo de cada celda y voltaje de cada celda. Para aplicaciones con una descarga de una hora o menos, se debe medir la resistencia del 10% de las conexiones entre las celdas. Dos veces al año las mismas mediciones que para las inspecciones cuatrimestrales y además una verificación y registro del voltaje de cada celda/unidad, valores óhmicos internos de celda/unidad, temperatura del terminal negativo de cada celda/unidad de la batería. Una vez al año las mismas mediciones que para las inspecciones anteriores y además resistencia de celda a celda y conexión de terminal de toda la batería y corriente de rizado CA y/o voltaje impuesto en la batería. Prueba de capacidad (prueba de descarga) En la instalación (prueba de aceptación) Periódicamente. Los intervalos no deberían ser más del 25% de la vida útil esperada o dos años, el que sea menor. Cuando los valores de impedancia han cambiado significantemente entre las lecturas o cuando hayan ocurrido cambios físicos. Anualmente cuando las baterías muestren signos de degradación o hayan alcanzado el 85% de la vida útil esperada. La degradación es indicada cuando la capacidad de la batería baja más del 10% de su capacidad en pruebas previas o está por debajo del 90% de lo establecido por el fabricante.
Reemplazo de la batería Ambas, IEEE 450 y IEEE 1188 recomiendan reemplazar la batería si su capacidad está por debajo del 80% de lo establecido por el fabricante. El tiempo máximo para el reemplazo es de un año. Características físicas tales como la condición de la placa o temperaturas de las
celdas anormalmente altas muchas veces determinan un reemplazo completo o de las celdas individuales.
IEEE 1106 “Prácticas recomendadas para mantenimiento, prueba y reemplazo de baterías de níquel cadmio ventiladas para aplicaciones estacio narias”. Abajo hay una descripción resumida
del mantenimiento, para las instrucciones completas vea los estándares IEEE 1106.
Inspecciones Las inspecciones por lo menos una vez cada cuatro meses incluyen voltaje de flotación del terminal de la batería, apariencia, voltaje y corriente de salida del cargador, temperatura del electrolito de la celda piloto. Dos veces al año se deben realizar inspecciones generales y mediciones del voltaje de cada celda. Se debe realizar la prueba de capacidad (prueba de descarga). En los primeros dos años de servicio A intervalos de 5 años hasta que la batería muestre signos de pérdida excesiva de capacidad. Anualmente a pérdida excesiva de capacidad.
Resumen mejor manera de probar y evaluar su batería (Intervalos de las pruebas). 1. Realice una prueba de capacidad cuando la batería sea nueva como parte de la prueba de aceptación. 2. Realice una prueba de impedancia al mismo tiempo para establecer los valores de referencia de la batería. 3. Repita los pasos anteriores en 2 años por motivos de garantía. 4. Realice una prueba de impedancia cada año en celdas inundadas y cada cuatro meses en celdas VRLA. 5. Realice una prueba de capacidad por lo menos a cada 25% de la vida de servicio esperada. 6. Realice una prueba de capacidad anualmente cuando la batería haya llegado al 85% de su vida de servicio esperada o si la capacidad ha bajado más del 10% desde la prueba anterior o está por debajo del 90% de lo establecido por el fabricante. 7. Realice una prueba de capacidad si los valores de impedancia han cambiad significativamente.
8. Siga las prácticas establecidas (preferiblemente por los estándares IEEE) para mediciones de temperatura, voltaje, gravedad, etc. y rellene un informe. Esto le ayudará a establecer tendencias y rastrear fallos.
Práctica de prueba de baterías La matriz de pruebas de baterías abajo puede ayudar a guiar incluso al técnico de pruebas de baterías más capacitado y ayudará a simplificar las prácticas recomendadas. La siguiente es una descripción de algunas de las pruebas o parámetros de mantenimiento.
Prueba de capacidad La prueba de capacidad es la única manera de obtener un valor preciso sobre la capacidad actual de la batería. Si se usa regularmente, puede servir para comprobar la salud de la batería y su capacidad actual y para estimar la vida útil restante de la batería. Cuando una batería es nueva, su capacidad puede ser algo más baja que la especificada. Esto es normal. Hay valores de capacidad establecidos por el fabricante. Todas las baterías tienen tablas con la corriente de descarga para un tiempo específico hasta un final específico del voltaje de descarga. La tabla abajo es un ejemplo de un fabricante de baterías. Durante la prueba se mide cuánta capacidad (corriente x tiempo expresado en Ah) la batería puede suministrar antes de que el voltaje del terminal baje al final del voltaje de descarga x número de celdas. La corriente debería mantenerse a un valor constante. Se recomienda seleccionar un tiempo de prueba que sea aproximadamente el mismo que el ciclo de servicio de la batería. Tiempos de prueba comunes son de 5 u 8 horas y un final común del voltaje de descarga para una celda de plomo-ácido es de 1.75 o 1.80 V.
Figura 1: tiempos de prueba de descarga para baterías de plomo-ácido
Figura 2: Pruebas recomendadas por el estándar IEEE Se recomienda usar el mismo tiempo de prueba durante toda la vida útil de la batería. Esto mejorará la precisión al establecer tendencias sobre cómo cambia la capacidad de la batería. Si la batería llega al final del voltaje de descarga al mismo tiempo que el tiempo de prueba especificado, la capacidad de la batería es del 100% de lo establecido. Si llega al final de la descarga al 80% (8 h) o antes de las 10 h especificadas, hay que reemplazarla.
Procedimiento para pruebas de capacidad de baterías de plomo ventiladas 1. Verifique que la batería haya tenido una carga ecualizada en caso de ser especificado por el fabricante 2. Compruebe todas las conexiones de la batería y asegure que todas las lecturas de resistencia sean correctas 3. Registre la gravedad específica de cada celda 4. Registre el voltaje de flotación de cada celda 5. Registre la temperatura de cada sexta celda para obtener una temperatura media 6. Registre el voltaje de flotación del terminal de la batería 7. Desconecte el cargador de la batería
8. Empiece a descargar. La corriente de descarga debería ser correcta para la temperatura obtenida al punto 5 (no si la capacidad se corrige después) y mantenerse durante toda la prueba 9. Registre el voltaje de cada celda y el voltaje del terminal de la batería al principio de cada prueba de descarga 10. Registre el voltaje de cada celda y el voltaje del terminal de la batería varias veces a intervalos específicos cuando esté realizando la prueba 11. Mantenga la descarga hasta que el voltaje del terminal de la batería haya disminuido hasta el final especificado de voltaje de descarga (1.75 x número de celdas)
Figura 3: Prueba de carga de la batería en función del tiempo 12. Registre el voltaje de cada celda y el voltaje del terminal de la batería al final de cada prueba. Los voltajes de las celdas al final de la prueba tienen especial importancia, ya que aquí son indicadas las celdas débiles. 13. Calcule la capacidad actual de la batería Es importante medir los voltajes de celda individuales. Esto se debe hacer varias veces durante la prueba. Lo más importante es medir las celdas al final de la prueba de descarga para encontrar las celdas débiles. También es importante que el tiempo O la corriente durante la prueba de descarga se ajuste a la temperatura de la batería. Una batería fría proporcionará menos Ah que una caliente. Los factores y los métodos de corrección de temperatura se describen en los estándares IEEE. Los fabricantes también especifican sus baterías a descargas de potencia constantes. Esto se usa cuando la carga tiene reguladores de voltaje. Entonces la corriente incrementará cuando el voltaje disminuya. El procedimiento para probar estas baterías es el mismo, pero el equipo de carga debe poder descargarse con una potencia constante. Las baterías también se pueden probar en un tiempo más corto que su ciclo de servicio, en una hora. Entonces la corriente se debe incrementar. La ventaja es que se pierde menos capacidad en la batería (válido para plomo-ácido) y requiere menos tiempo para recargarse. Además se necesitan menos horas de trabajo para esta prueba. Contacte a su
fabricante de baterías para más información. A velocidades más altas es importante supervisar la temperatura de la batería. Entre pruebas de carga, la medición de la impedancia es una excelente herramienta para evaluar la condición de las baterías. Además se recomienda realizar la prueba de impedancia antes de realizar cualquier prueba de carga para mejorar la correlación entre la capacidad y la impedancia.
Figura 4: capacidad de la batería en función de su vida útil Prueba de impedancia La impedancia, una prueba óhmica interna es resistencia en términos de CA. La impedancia indica la condición de las baterías en cuanto a sistemas de baterías CD. Como prueba la condición de todo el paso eléctrico de la batería de placa de terminal a placa de terminal, la impedancia puede encontrar debilidades en celdas y en conectores entre celdas fácil y confiablemente. Básicamente, la prueba de impedancia es determinada al aplicar una señal de corriente CA, midiendo la caída del voltaje CA a lo largo de la celda o del conector entre celdas y calculando la impedancia usando la Ley de Ohm. En la práctica, no solo se mide la caída del voltaje CA, sino también la corriente CA. La corriente CA se mide por otras corrientes CA en la batería que son aditivas (substractivas). Otras corrientes CA están presentes en el sistema cargador. La prueba se realiza aplicando una señal de prueba CA a las placas de terminal. Entonces se miden la corriente CA total en la cadena y la caída de voltaje en cada unidad de la cadena midiendo cada celda y conector entre las celdas consecutivamente hasta que toda la cadena se haya medido. La impedancia se calcula, se presenta y se guarda. Al medir la impedancia, la condición de cada celda en la cadena se puede medir y establecer una tendencia para determinar cuándo reemplazar la celda o cadena, lo cual ayuda a planificar el presupuesto. La prueba
de impedancia es una medición de cuatro cables, tipo Kelvin que proporciona excelente confiabilidad y datos altamente repetibles en los cuales basar decisiones en cuanto al mantenimiento de la batería y su reemplazo. La impedancia es capaz de encontrar celdas débiles para que se pueda realizar un mantenimiento proactivo. Al fin y al cabo, la batería es un coste, pero soporta una carga crítica o un flujo de ingresos. Si una simple celda se abre, entonces toda la cadena queda fuera de línea y la carga ya no se soporta. Por eso es importante encontrar las celdas débiles antes de que causen fallos mayores. El gráfico en la figura siguiente muestra el efecto de disminuir la capacidad o la impedancia. Hay una fuerte correlación entre la impedancia y la capacidad así que las celdas débiles se encuentran a tiempo para tomar acciones remediables. El gráfico muestra los datos de impedancia reorganizados en orden ascendente con cada celda y su correspondiente voltaje final de prueba de carga. (Impedancia en mili ohmios y la misma escala que el voltaje, 0 a 2.5) Esta vista que es impedancia ascendente/voltaje descendente, agrupa las celdas débiles a la derecha del gráfico para encontrarlas fácilmente. Una batería no es simplemente resistiva. También hay un término capacitivo. Al fin y al cabo, la batería es un capacitor, un dispositivo de almacenamiento, y los resistores no pueden almacenar electricidad.
Figura 5: Prueba de impedancia en un banco de baterías
Resistencia de conexión entre las celdas La resistencia de la conexión entre las celdas es la otra mitad de la batería. Una batería se compone de celdas conectadas en un paso de serie. Si uno de los componentes falla, toda la conexión en serie falla. Muchas veces las baterías fallan, no a causa de celdas débiles, sino a causa de débiles conexiones entre ellas. Las pruebas de conexión entre las celdas tienen dos funciones: Validar la resistencia de la conexión entre las celdas Encontrar posibles errores graves con conductores superiores internos a la celda La resistencia de la conexión entre las celdas se valida siguiendo las prácticas recomendadas por la IEEE. Estas prácticas recomendadas especifican que la variación de resistencia de la conexión entre las celdas sea menos de diez por ciento. Esto se traduce a 7 micro-ohmios en una resistencia de la conexión entre las celdas de 70 microhmios. Este método incluso puede encontrar una arandela atrapada entre el terminal y el conector entre las celdas, sin embargo el torqueado no puede. Además se especifica que diez por ciento de los conectores entre las celdas se deben medir cada cuatro meses y todos los conectores entre las celdas anualmente.
Prueba de voltaje en banco de baterías Tradicionalmente el voltaje de flotación ha sido el pilar de cualquier procedimiento de prueba. ¿Qué es el voltaje? El voltaje es la diferencia, hablando de electricidad, entre el plomo y el óxido de plomo en las placas o entre el níquel y el cadmio. El cargador es el elemento que los mantiene cargados. La suma de todas los voltajes de las celdas debe ser igual a la configuración del cargador (excepto para pérdidas de cable). Esto implica que el voltaje simplemente indica el estado de carga de las celdas. No hay indicación del estado de salud de las celdas. Un voltaje de celda normal no indica nada excepto que la celda está completamente cargada. Un voltaje de celda anormal, sin embargo, sí indica algo sobre la condición de la celda. Un voltaje de celda bajo puede indicar que la celda esté cortocircuitada, pero solo si el voltaje finalmente baja hasta 2.03. Si una celda está baja, entonces otras celdas deben estar más altas en voltaje debido a la configuración del cargador. Recuerde que la suma de todos los voltajes de las celdas debe ser igual a la configuración del cargador. Las celdas con valores más altos contrarrestan las de valores bajos y en general las de valores más altos están en mejor condición por que pueden tolerar voltajes más altos. Pero estas celdas están sobrecargadas, lo cual las sobrecalienta y acelera la corrosión de la rejilla y las pérdidas de agua. Digamos por el momento que una celda de bajo voltaje todavía no está a 2.03, está a 2.13 V. A 2.13 V no está lo suficientemente baja como para preocuparse, pero está degradando. Puede o no soportar la carga cuando ocurra un apagón. La impedancia puede encontrar una celda débil antes que el voltaje. En este caso la impedancia disminuye porque es un corto circuito inminente. Se puede ver un ejemplo similar en VRLA en cuanto a secado o pérdida de
compresión. El voltaje no encontrará la condición hasta mucho más adelante en la vida útil de la batería, hasta que sea demasiado tarde. La impedancia encuentra esta condición mucho antes, así que se puede remediar. Así que no confunda completamente cargado con capacidad completa. Como hemos dicho antes, la divergencia en el voltaje de la celda puede ser causada por numerosos factores y una manera de solucionar el problema es haciendo una carga de ecualización. En un procedimiento de carga de ecualización se carga toda la batería a un voltaje alto (más de lo normal) por varias horas para igualar el voltaje en todas las celdas. El procedimiento puede llevar a calentamiento y posible pérdida de agua. Se recomienda seguir los procedimientos del fabricante para evitar daños en la batería.
Gravedad específica La gravedad específica es la medida del sulfato en la batería de plomo-ácido. También es la medida del electrolito de hidróxido de potasio en baterías de níquel-cadmio, pero como el electrolito de hidróxido de potasio no se usa en la reacción química, no es necesario medirlo periódicamente. Tradicionalmente la gravedad específica no ha aportado mucho valor al determinar fallos de baterías inminentes. De hecho, cambia muy poco después de los primeros 3 a 6 meses de la vida útil de la batería. Este cambio inicial se debe a la finalización del proceso de formación, que convierte un material de pasta inactivo en una material activo al reaccionar con el ácido sulfúrico. Una gravedad específica baja puede significar que el voltaje del cargador está establecido muy bajo causando la sulfatación de la placa. En una batería de plomo-ácido el sulfato es un sistema cerrado en el que el sulfato está o bien en las placas o bien en el ácido. Si la batería está completamente cargada, entonces el sulfato está en el ácido. Si la batería está descargada, el sulfato está en las placas. El resultado final es que la gravedad específica es una imagen especular del voltaje y por lo tanto del estado de carga. Las lecturas de gravedad específica se deberían tomar cuando hay problemas en la batería para obtener toda la información posible sobre la batería. Las diferentes aplicaciones de baterías y geografías tienen gravedades específicas variables para adaptarse a índices, temperaturas, etc.
Float Current Otro lado del triángulo de la Ley de Ohm es la corriente. El voltaje del cargador se usa para mantener la batería cargada, pero el voltaje realmente es el vehículo para llevar la corriente a la batería (o sacarla durante la descarga). Es la corriente la que convierte el sulfato de plomo en material activo en las rejillas. Hay dos tipos de corriente CD en una batería: la corriente de recarga, que es la corriente que se aplica al recargar la batería después de la descarga, y la corriente de flotación, que se usa para mantener la batería en un estado completamente cargado. Si hay una diferencia entre la configuración del cargador y el voltaje de la batería, es diferencia causará que la corriente fluya. Si la batería está completamente cargada, la única corriente que fluye es la corriente de flotación que contrarresta la auto-descarga de la batería.
Corriente de rizado
Las baterías, como dispositivos CD, prefieren tener solo CD. El trabajo del cargador es convertir CA en CD pero ningún cargador es 100% eficiente. Frecuentemente se añaden filtros a los cargadores para quitar la corriente CA de la salida CD. La corriente CA en CD se llama corriente de rizado. Los fabricantes de baterías han afirmado que más de unos 5 A Rms de rizado por cada 100 Ah de capacidad de batería pueden llevar a fallos prematuros debido al calentamiento interno. El voltaje de rizado no es un problema, ya que es el efecto del calor de la corriente de rizado lo que daña las baterías. El 5% de corriente de rizado es solo una estimación y también depende de la temperatura ambiente. La corriente de rizado puede incrementar lentamente al mismo tiempo que los componentes electrónicos en el cargador se desgastan. Además, si un diodo se estropea, la corriente de rizado puede incrementar dramáticamente llevando a calentamiento y agotamiento prematuro sin que nadie se dé cuenta. Aunque la impedancia no es una medición de corriente de rizado, la corriente de rizado se mide por la manera en que Megger diseña sus instrumentos de impedancia. Hay evidencias anecdóticas de que una frecuencia de rizado baja pueda cargar y descargar la batería en una micro-escala. Hace falta más investigación para comprobar esta hipótesis. Excesivos ciclos pueden llevar al agotamiento prematuro de una batería independientemente de las razones para los ciclos, sean apagones, pruebas o tal vez micro-ciclos. Una cosa es segura: cuanto más baja sea la CA en el sistema de batería, menos daños pueden ocurrir. Las baterías VRLA parecen ser más sensibles a la corriente de rizado que las inundadas. Se recomienda filtrar los cargadores por corriente/voltaje de rizado.
Temperatura Es bien sabido que las temperaturas bajas reducen las reacciones químicas internas en cualquier batería; el grado de rendimiento reducido varía de acuerdo a la tecnología. Por ejemplo, a temperaturas cerca de la congelación un VRLA puede necesitar una compensación de capacidad del 20%. La celda de plomo-ácido que usa ácido de gravedad específica del 1.215 requiere el doble de capacidad mientras que una NiCd necesita un incremento del 18% de capacidad. Al otro lado del rango de temperatura, las temperaturas altas pueden estropear cualquier batería. No sorprende que también aquí el impacto dependa de la tecnología. Plomo-ácido a 95° F experiencia una vida del 50% más corta mientras que NiCd tendrá una vida del 16-18% más corta. Al aplicar lo que Arrhenius aprendió sobre reacciones químicas, por cada 18º F (10º C) de incremento en la temperatura de la batería la vida de la batería se divide por dos y debe empezar a tratarse. Las temperaturas incrementadas causan una corrosión de las rejillas positivas más rápida y otros tipos de fallos. Al tener una batería de plomo-ácido a una temperatura de 95º F (35º C) en vez de los 77º F (25º C) recomendados, una batería de 20 años solo durará diez, una batería de 10 años solo durará cinco, etc. Si incrementa la temperatura por otros 18º F a 113º F (45º C), una batería de 20 años solo durará cinco, Una batería rara vez está a la misma temperatura durante toda su vida. Un escenario más realístico es que la batería se calienta durante el día y se enfría durante la noche con las temperaturas medias más altas en el verano y más bajas en invierno. Desafortunadamente el bajar la temperatura de la batería por debajo de 77º F (25º C) no recupera la vida útil que había
perdido. Una vez que las rejillas positivas se corroen, no se pueden volver a recuperar. Además, la corrosión de rejillas positivas ocurre a cualquier temperatura, simplemente es cuestión de la velocidad de la corrosión. El resultado final es controlar lo mejor posible (de nuevo coste vs. riesgo), la temperatura de la batería en la red. IEEE, Anexo H ofrece un método para calcular el impacto de las altas temperaturas en una batería de plomo-ácido.
Sección de preguntas frecuentes para guiar al operador ¿Qué me dice el voltaje de flotación de una celda? El voltaje de flotación indica que el cargador está funcionando, es decir, el estado de la carga. No indica el estado de salud (condición) de la celda. Indica que la celda está completamente cargada, pero no confunda completamente cargada con a completa capacidad. Ha habido muchos casos en los que el voltaje de flotación está dentro de los límites aceptables y la batería falla. Un voltaje de flotación bajo puede indicar que hay un cortocircuito en la celda. Esto es evidente en un voltaje de flotación de unos 2.06 o menos para plomo-ácido (si el cargador está configurado en 2.17 V por celda) En algunos casos, una celda flota considerablemente más alto que la media. Esto puede ser causado por una celda de voltaje de flotación alto compensando una celda débil y de flotación baja. Es posible que una celda flote mucho más alta para compensar varias celdas de flotación baja. El total de los voltajes de las celdas debe ser igual que la co nfiguración del cargador.
¿Cuáles son las prácticas de mantenimiento recomendadas para los diferentes tipos de baterías? Las prácticas (de Mantenimiento) recomendadas por IEEE cubren los tres tipos principales de baterías: Inundadas de plomo-ácido (IEEE 450), VRLA (IEEE 1188) y níquel-cadmio (IEEE 1106). En general, el mantenimiento es esencial para asegurar un tiempo de repuesto adecuado. Hay diferentes niveles de mantenimiento e intervalos de mantenimiento variables dependiendo del tipo de batería, criticalidad y condiciones del lugar. Por ejemplo, si el lugar tiene una temperatura ambiente elevada, entonces las baterías se agotarán antes y necesitan un mantenimiento más frecuente y más reemplazos de la batería.
¿Qué importancia tiene la resistencia de conexión entre las celdas? Nuestra experiencia nos dice que muchos fallos de baterías se deben a conexiones sueltas entre las celdas que se calientan y abren, en vez de deberse a fallos de celdas. Ya sea una celda débil o una conexión suelta, si falla una de las dos, entonces falla la batería. Cuando las baterías de plomo-ácido se recargan frecuentemente, el terminal negativo puede fluir en frío y soltar la conexión. La secuencia de medición adecuada para baterías de múltiples terminales es crítica. No todos los instrumentos proporcionan una resistencia de conexión entre las celdas válida debido a su método de prueba. Los instrumentos de Megger proporcionan datos válidos.
¿Cuáles son algunos de los tipos de fallo más comunes? El tipo de fallo depende del tipo de batería, las condiciones del lugar, las aplicaciones y otros parámetros. Por favor diríjase al resumen en las páginas 7- 8 o a “Tipos de fallos de baterías” en la página web de Megger. Vea la sección de producto de Equip o de prueba de baterías. En la columna derecha bajo “Documentos” haga clic en Guías de Aplicación,
Artículos y Preguntas Frecuentes.
¿Cada cuánto deberían tomarse las lecturas de impedancia? La frecuencia de las lecturas de impedancia varía con el tipo de batería, las condiciones del lugar y las prácticas de mantenimiento realizadas. IEEE 1188 recomienda que la referencia se tome seis meses después de que la batería se haya puesto en servicio y a partir de entonces dos veces al año. Sin embargo, Megger recomienda que las baterías VRLA se midan cada cuatro meses debido a su naturaleza impredecible y las baterías de níquel-cadmio y las inundadas de plomo-ácido dos veces al año. Además se debería tomar la lectura de impedancia antes de cada prueba de capacidad. ¿Cuándo debería dejar de cambiar las celdas y reemplazar la batería entera? En cadenas más cortas (menos de 40 celdas/vasos), debería reemplazarse la batería después de haber cambiado de tres a cinco unidades. En cadenas más largas el criterio de reemplazo es un porcentaje similar.
¿Cómo puedo predecir cuándo necesito cambiar una celda? Aunque no haya una correlación matemática perfecta entre la capacidad y la impedancia de la batería (o cualquier otra prueba de batería excepto la prueba de carga), la cantidad de incremento en impedancia es un indicador de la salud de la batería. Megger ha descubierto que un 20 por ciento de incremento en impedancia para baterías inundadas de plomo-ácido generalmente corresponde con un 80% de capacidad de la batería. En VRLA el incremento está alrededor del 50% de la impedancia inicial o de los valores establecidos por el fabricante.
¿Las pruebas de capacidad van a destruir mi batería? El sistema de baterías está diseñado para proporcionar potencia de respaldo durante todos los apagones que se produzcan a lo largo de su vida útil. Al realizar una prueba de capacidad se está simulando un apagón de manera controlada. Las baterías normalmente se pueden descargar por completo (hasta el voltaje indicado por el fabricante) de 100 a 1000 veces dependiendo del tipo de batería. Por el otro lado, no hay razón para realizar pruebas más frecuentes que lo recomendado en los estándares.
¿Puedo realizar una prueba de descarga si mi batería todavía está conectada a la carga (en línea)? Sí, es posible. Megger tiene equipos de prueba que detectan y regulan automáticamente la corriente de descarga incluso cuando las baterías están conectadas a la carga ordinaria.
La mayoría de los usuarios hacen una prueba de descarga del 80% cuando están en línea para todavía tener tiempo de reserva al final de la prueba.
** El contratista (Fabricante) será responsable de ejecutar en fábrica todas y cada una de las pruebas recomendadas en la normas para este tipo de equipos, para lo cual deberá enviar a la subestación que solicita el banco, con 15 días de anticipación a la ejecución de estas pruebas, el procedimiento de las mismas, adjuntando los formatos de los protocolos de prueba que se emplearán, características de los equipos de prueba y copia de las normas correspondientes a emplearse; además de un archivo digital fotográfico en donde se indique los detalles constructivos y elementos que conforman los equipos ofertados. La sub estación, en un plazo de 5 días dará su aceptación o recomendaciones a las mismas. Luego de realizado las pruebas en fábrica y en un plazo no mayor a 15 días, el contratista remitirá un informe técnico, adjuntando el resultado de las pruebas ejecutadas, en los protocolos correspondientes y debidamente firmados por los responsables de la ejecución y supervisión, un archivo digital fotográfico que demuestre la ejecución de las pruebas sobre los equipos suministrados. La sub estación en un plazo no mayor a 10 días remitirá una copia de los protocolos debidamente firmados, como c onstancia de la aceptación y conformidad a las mismas.
Normas Aplicables
IEC 61204: “Dispositivos de alimentación de baja tensión de salida en corriente continua - Características de funcionamiento y requisitos de seguridad “ IEC 60896-22 : “Stationary lead -acid batteries” – “Valve regulated types – Requirements” IEC 60986-21 : “Stationary lead-acid batteries” – “Valve regulated types – Methods of test”
**Requerimientos de calidad: El proveedor deberá demostrar que tiene implementado y funcionando en su fábrica un sistema de Garantía de Calidad con programas y procedimientos documentados en manuales, cumpliendo las siguientes Normas: ISO 9001: Sistemas de calidad: Modelo de garantía de calidad en diseño, producción, instalación y servicio. Además, idealmente deberá contar con la siguiente certificación de gestión ambiental: ISO 14001: Sistemas de gestión ambiental - Modelo de mejoramiento continuo y prevención de la contaminación, cumplimiento de la reglamentación ambiental. El Cliente se reserva el derecho de verificar los procedimientos y la documentación relativa a la fabricación de las baterías y el cargador, y el fabricante se obliga a poner a su disposición estos antecedentes.
Cargador de baterías (Sistema funcional) )
BATERÍA El sistema de carga de la batería será de regulación automática, con una primera etapa a intensidad constante y una segunda a tensión constante. El nivel de corriente y tensión de estas etapas, será el recomendado por el proveedor. La tensión final de los elementos después de la descarga, con el cargador desconectado, no podrá ser inferior al 85% de tensión nominal. Durante tiempo de autonomía, la batería debe garantizar el suministro de la intensidad máxima de descarga permanente, sin que al final del mismo la tensión haya descendido por debajo de lo permitido, por celda.
CARGADOR El cargador será implementado por tecnología de fuente conmutada o fuente tiristorizada. Los cargadores serán de peso y volumen reducidos, y estará protegido contra sobrecargas y cortocircuitos. El sistema deberá disponer de un programa de flotación. Los niveles de tensión para los diferentes programas, o estados de carga de las baterías, será el recomendado por el proveedor. La duración de cada carga rápida automática será proporcional al decremento de carga soportado por la batería; o bien será un tiempo prefijado cuando el paso a carga rápida sea por haber transcurrido el tiempo máximo programado de permanencia en flotación. Se podrá realizar el cambio de programa de forma manual. En este caso la permanencia en el programa de tensión de carga rápida estará limitada automáticamente a un tiempo ajustable, de forma que no se produzca sobrecarga de la batería, con la consiguiente pérdida inútil de electrolito. El cargador deberá tener un modulo de regulación de tensión a la salida, a fin de que las cargas no sufran una excesiva tensión por el hecho de que las baterías van estar en estado de flotación y/o recarga. El cargador deberá contar con una unidad de control para comunicación remota de tecnología digital. El cargador deberá contar con automatismo de compensación de la tensión de flotación por temperatura.
FUNCIONES OPCIONALES Bajo demanda el cargador podrá incorporar las siguientes funciones: a) Capacidad de registro superior a diez sucesos que incluya fecha, hora, minuto, segundo, evento sucedido y valor de las magnitudes de entrada y salida en aquel instante. b) Comunicabilidad para modificación de los ajustes, transmisión de eventos y registros de forma local y a distancia. La interfase física de comunicaciones dispondrá de aislamiento galvánico y permitirá la conexión “multidrop”. El protocolo de comunicación y formato
serán los que se definan para los Sistemas Integrados de Control y Protección. Opcionalmente se podrá solicitar redundancia de los cargadores, para aumentar la fiabilidad de los equipos que no estén conectados en paralelo con otro de iguales características.
Un cargador de baterías puede tener las siguientes características:
Panel frontal electrónico (IHM): Los cargadores, estarán contenidos en gabinetes metálicos auto portantes de acceso frontal con paneles abisagrados y ventilación natural, aptos para montaje interior, de las siguientes dimensiones aproximadas: 800 x 800 x 2200 mm. El color lo definirá la Subestación
El conductor para el cableado del cargador de baterías deberá tener aislamiento de PVC para 600 voltios, resistente a la llama. A menos que se indique lo contrario, todos los alambres deberán ser de un tamaño no menor de 2.5 mm2 de sección de cobre cableado aislado.
Todos los alambres deberán ser estéticamente instalados en grupos y asegurados por abrazaderas hechas de material aislante. Los diagramas de control y protección preferiblemente deben ser dibujados, vistos desde la parte posterior, en todo caso en cada diagrama se indicará la vista empleada. Los diagramas mostrarán la disposición de las regletas terminales en posición de operación.
Las regletas terminales se suministrarán con los respectivos terminales para conexión de los cables de control. Todas las conexiones se efectuarán por la parte delantera de las regletas terminales.
Las regletas terminales deberán contener terminales dispuestos en pares para conductores de entrada y salida. No más de dos conductores se podrán conectar a un mismo terminal.
Se suministrarán divisiones aisladas entre los conectores adyacentes. la altura de estas divisiones y las separaciones entre los terminales deberá ser tal que proporcione una adecuada protección y permita un fácil acceso a los t erminales.
Se suministrarán cubiertas de material aislante transparente sobre todas las regletas terminales.
Se suministrarán los rótulos y nomenclaturas necesarias en las regletas terminales y conductores. Opcional: El cargador de baterías deberá tener una interfaz IHM o panel frontal, que permita realizar cambios y ajustes en la configuración del mismo (tales como Ajuste de tensión de carga rápida, de tensión de carga de flotación, de tensión de carga excepcional y de limitación de la corriente de salida). Este IHM deberá tener las siguientes características mínimas:
Panel frontal con diagrama de flujo y “Display” LCD.
Un puerto serial RS-232 frontal, para conexión local mediante el software de gestión. Un puerto Ethernet RJ45 para gestión remota. Un puerto serial RS-485 con protocolo DNP3, para integración al sistema al SAS de la S/E y SCADA.. Software de gestión. Presentación de las medidas analógicas tales como: Tensión y corriente de entrada, tensión y corriente de salida a baterías, tensión y corriente de salida al consumidor, temperatura de las baterías, etc. Histórico de hasta 50 eventos almacenados en el panel. Panel frontal con los siguientes indicativos visuales de alarmas: Indicación de "CONECTADO" ("ON"). Indicación de “CARGA RAPIDA”
Indicación de "CARGA FLOTACION". Indicación de "CARGA EXCEPCIONAL". Indicación de "FALTA DE FASE AC O FALLA DE RED".
10 contactos secos programables para señalización SCADA de al menos las siguientes señales: Falta de corriente alterna. Baja tensión corriente continua. Falla cargador de baterías Falla a tierra Sobrecarga Alto voltaje DC. Carga flotación
El contratista deberá suministrar la documentación referente a los instructivos para la operación, montaje, puesta en servicio y mantenimiento del cargador, en dos copias impresas y en medio magnéticas; y que además contenga la siguiente información:
Planos de implantación. Diagramas de bloques de los circuitos eléctricos y electrónicos. Diagrama unifilar y trifilar del rectificador Diagrama topológico del cargador Diagramas de las componentes más importantes. Listas de elementos con sus características. Manuales de operación y mantenimiento. Procedimientos de ajuste y calibración. Lista de repuestos básicos obligatorios y recomendados por el oferente para un período de 5 años de operación continua.
Dimensionamiento de baterías
Instructivo de utilización de la hoja de cálculo de dimensionamiento de baterías y ciclo de cargas. Por Daniel Serres Objetivo.
Este documento tiene la finalidad de ayudar en el uso de la hoja de cálculo creada en Microsoft Excel para el cálculo del ciclo de carga y el dimensionamiento de baterías, tanto de Ni-Cd cómo de Plomo ácido. Instrucciones.
Se deben seguir los siguientes pasos para conseguir el dimensionamiento de baterías y de un cargador de baterías conectado a la misma. 1.- Datos de la Carga.
Son las características principales de las cargas estudiadas, que incluyen número, descripción, clasificación de la carga, potencia absorbida, potencia nominal, tensión nominal y eficiencia si aplican, duración de la carga e inicio de la misma. En el caso de no poseer el dato de la eficiencia, asumiremos 1 a la misma, con eso obtendremos al final el dato de la potencia eléctrica total. En el caso de tener el dato de la corriente DC nominal de carga, para el proceso del dimensionamiento de las baterías, se debe incluir directamente ese dato en el renglón “Corrient” para dicha carga.
Por otro lado, el programa está diseñado para manejar un máximo de 75 cargas, distribuidas de esta manera: 25 en la hoja principal etiquetada “Español” y 50 en la hoja etiquetada “Más Cargas”. Para ir a la hoja “Más Cargas” se debe hacer clic en el botón “Más cargas” en la hoja
principal y luego de incluir todos los datos en la misma, se puede volver a la hoja principal, por medio del botón “Volver” que se encuentra al final de la tabla de los datos de las
cargas.
2.- Ciclo de Carga.
Luego de haber introducido todos los datos de las cargas, incluyendo la duración e inicio, se puede calcular el ciclo de carga del conjunto. Haciendo clic en el botón “Ciclo de Carga”.
Se observará cómo se irá construyendo el ciclo de carga en un gráfico que luego estará di sponible en la hoja “Hoja_Cargas”.
Para volver a la Hoja Principal se debe hacer clic sobre el botón “Volver”.
Figura 1. Ciclo de Cargas. 3.- Baterías
Tras haber calculado el ciclo de cargas, se puede realizar el dimensionamiento de las baterías. Para ello, se debe hacer clic en el botón “Baterías” ubicado en la página principal y se pasará a la hoja etiquetada como “Baterías”, en donde se deberán introducir ciertos
datos del sistema, factores de corrección del diseño, tipo de baterías a utilizar y si serán utilizados los datos por defecto. Entre los datos del sistema se enumeran, la tensión máxima permitida y la tensión mínima del sistema. También es posible cambiar la tensión de cada celda. Sin embargo, para las baterías de Níquel-Cadmio la tensión por celda en promedio es de 1.45 V, mientras que para las baterías de plomo ácido típicamente el valor de la tensión por celda es de 2 voltios.
Con esos datos es posible obtener tanto la cantidad de celdas necesarias para cumplir con esas condiciones como la tensión final de descarga, que son, a su vez, datos necesarios para el dimensionamiento correcto de baterías. Es importante señalar, que esta hoja de cálculo está diseñada para realizar cálculos con valores por defecto de baterías, obtenidas de un catálogo del fabricante SAFT, que corresponden a los modelos SLM para Ni-Cd y, SD y SDH en el caso del cálculo para baterías de plomo ácido. Luego de haber introducido los datos en las celdas correspondientes y haber seleccionado tanto el tipo de batería a dimensionar como el método de dimensionamiento, es posible realizar el mismo por medio el botón “Cálculo baterías”, el cual, dependiendo de la
selección del método de cálculo, arrojará el valor de la capacidad de la batería equivalente y a su vez, el número de hileras y la capacidad nominal que tendrá el conjunto de baterías conectadas. En el caso de utilizar los valores por defecto, y haber seleccionado las baterías de Ni-Cd, el programa está diseñado para trabajar con celdas Saft ® del tipo SLM de níquel -cadmio que pueden ser desde 8 Ah hasta 476 Ah nominales. Por su parte, si fueron seleccionados los valores por defecto y plomo ácido, se utilizará la base de datos de las celdas modelo SD y SDH de la misma compañía Saft ® que puede ser desde 5 Ah hasta 2240 Ah. Para el caso de haber deseleccionado la casilla de verificación de “Valores por defecto” se
procederá a la introducción manual de los datos de las baterías. En este caso, se debe poseer la capacidad de las baterías para varios intervalos de tiempo, que típicamente se proporcionan por medio de una tabla como la que se muestra en la figura 6, que incluye la cantidad de corriente que es capaz de entregar cada celda en dicho tiempo de operación o descarga, para cada tensión de descarga o tensión final. Este valor de tensión final, debe coincidir con la tensión final proporcionada por la hoja de cálculo o la más cercana a ésta. Los datos son introducidos a medida que el programa lo va requiriendo, por medio de un cuadro de diálogo. La hoja de cálculo está diseñada para realizar interpolaciones de los valores que no se encuentren directamente en la tabla, introduciendo los valores correspondientes a los límites del intervalo de tiempo que contiene los datos correspondiente al tiempo específico necesario, por ejemplo en el caso que la tensión final resulte ser cercana a 1 voltio por celda, se requiera la capacidad en amperios para un tiempo de 3.6 seg, el valor nominal de la batería sea el más cercano a 432.76 Ah y se esté utilizando la tabla suministrada en la figura 6, se activará la casilla de verificación “valor aproximado” en el cuadro de diálogo, se introducirán en la primera casilla de la izquierda correspondiente al tiempo el valor “1”, en la casilla de la derecha del tiempo se colocará “5”, y en las casillas de la corriente se colocarán los valores de “568” y “517” respectivamente y el botón de opción correspondiente a “Tiempo en” se colocará en “Segundos” y en el cuadro de texto del valor nominal se deberá colocar “420”.
Si el valor no necesita int erpolación, con desactivar la casilla de verificación de “Valor aproximado” se hará visible sólo un cuadro de texto que corresponderá al valor exacto de
corriente correspondiente. Al concluir el proceso, la hoja de cálculo dará como resultado tanto la capacidad de las celdas en Ampere-horas, el número de celdas que se deberán conectar en serie para cumplir con los niveles de tensión máximos y mínimos como el número de hileras que deberán ser conectadas en paralelo para cumplir con los valores de corriente requeridos para el caso de las baterías SLM y SD ó SDH para los casos de Ni-Cd y plomo ácido respectivamente. Sin embargo, para el caso de los cálculos con los datos exteriores (no los datos por defecto) se deberá cambiar manualmente el número de hileras de ser necesario. Por ejemplo, si en resultado arroja que se deben conectar 10 celdas en 2 hileras de la celda SLM 40, se puede interpretar que es necesario conectar en paralelo 2 hileras de 10 celdas, a su vez, conectadas en serie. Este programa también es capaz de calcular la corriente nominal del cargador necesario para las baterías calculadas, para ello se requiere del valor del tiempo de carga de las baterías o el tiempo de autonomía del sistema de baterías. Bibliografía.
IEEE Recommended Practice for Sizing Nickel-Cadmium Batteries for Stationary Applications. IEEE std 1115-2000. New York, USA 2000 IEEE Recommended Practice for the Design of DC Auxiliary Power Systems for Generating Stations. IEEE std 946-1992. New York, USA 1992. Batería Ultima de Ni-Cd. Saft Industrial Battery Group. Bagnolet, Francia 2004.
Dimensionamiento de cargadores de baterías
Los cargadores de baterías deben ser dimensionados basados en dos características importantes: Carga de baterías en régimen de fondo o carga rápida Alimentación de los consumos permanente Por lo tanto la corriente nominal del cargador será la suma de de la corriente total de las baterías + la corriente total de consumo. Respecto a la corriente de carga rápida los fabricantes recomiendan asumir 0.20 de la capacidad nominal en Ah, puede asumirse 0.30 cuando son bancos de Ni-Cd siempre que la tensión por celda no provoque gasificación del electrolito. En el caso que se quiera considerar un tiempo máximo de recargas del banco, se aplicará lo siguiente: I cargador = ((0.20 o 0.30 x Capacidad del banco Ah)/Tiempo)+ Corriente de consumo
Ejemplo de cálculo de un banco de baterías
CÁLCULO DE BANCO SUBESTACIONES.
DE
BATERÍAS
Y
CARGADORES
RECTIFICADORES
PARA
Determinar el banco de baterías y los correspondientes cargadores rectificadores para una subestación que posee el siguiente equipamiento y comportamiento de consumo: 1.- Carga Permanente. 1. a.- Dos tableros de protección de línea conteniendo los siguientes equipos (el numero entre paréntesis es el consumo permanente en Vatios de cada equipo): 1. a.1.- Dos relés 21 (30 c/u.). 1. a.2.- Un relé 67N (4). 1. a.3.- Un relé 79 (0). 1. a.4.- Un relé 25 (12). Consumo permanente de cada tablero 76 W. 1. b.- Dos tableros de protección de Transformador. 1. b.1.- Un relé 87T (20). 1. c.- Dos tableros de protección de hilo piloto (30 c/u). 1. d.- Un tablero de Alarmas (540). 1. e.- Dos tablero de control y mando. 1. e.1.- Relés semáforos (16 * 5 W = 80 W) 1. f.- Dos transformadores de Potencia (500 c/u). 1. g.- Dos tableros de Onda Portadora (60 c/u). 2.- Carga eventual. 2. a.- Cuatro interruptores de Potencia (625 c/u). 2. b.- Iluminación de Emergencia (10 Bombillos * 60 W c/u = 600 W). 3.- Demanda en condiciones normales de operación. Para efectos del Cálculo de la demanda en condiciones normales de operación se debe considerar la carga que deberán suplir las baterías al sistema estando los cargadores desconectados al mismo y su valor deberá estar expresado en amperios. En el caso de la subestación en estudio tenemos el total de la carga consumida:
Potencia = 2*a+2*b+2*c+d+2*e+2*f+2*g = 2072 W........................A Corriente consumida = 2072 W / 110 FCC(1) = 18.8 A 19 A ..........B (1) Se considera para este estudio que el sistema funciona con 110 Vcc. 4.- Demanda en condiciones eventuales. Esta carga es aquella que se presenta en el sistema debido a una alteración de la condición normal. Para efectos de determinarla debe considerarse la operación del sistema que requiere mayor cantidad de carga la cual puede ser el disparo de los interruptores asociados a una barra en el caso de arreglos de subestaciones tipo barra seccionada o de dos interruptores para arreglo de subestación tipo disyuntor y medio o anillo, etc.., también deberán considerarse cargas eventuales a aquellas que están conformadas por los relés de bloqueo presentes en el sistema después de un disparo, en nuestro caso no tomaremos en cuenta esta ultima carga. En base a lo anterior y considerando que nuestra subestación tiene un esquema en anillo tendremos lo siguiente: Durante el disparo. Potencia consumida = 2 * a = 1250 W ...............................................C Potencia consumida Total = A + C = 3322 W....................................D Corriente consumida = 3322 W / 110 Vcc. = 30 A............................E Después del disparo. Potencia consumida = 600 W. (Iluminación)........................................F Potencia total consumida = A + F = 2672 W......................................G Corriente consumida = 2672 W / 110 Vcc = 24 A...............................H 5.- Determinación de la capacidad en amperios-hora (Ah) del banco de baterías. Para determinar los Ah se debe estudiar el tiempo de duración que están presentes las diferentes cargas en un período de 8 h, aunque existen curvas de descarga de baterías en períodos de tiempo de 10 h debemos considerar el primero ya que este es el valor de referencia para el dimensionamiento de baterías en subestaciones de acuerdo a las normas de la mayoría de las empresas de electricidad. Los tiempos de duración de cada consumo de carga y su posición en el rango de las 8 h dependen del criterio del ingeniero con la excepción de la operación de disparo de los interruptores la cual está en un rango de duración de dos (2) minutos.
Para nuestro caso tomaremos 2 horas para un tiempo de carga normal a partir de la desconexión de los cargadores, al final de este tiempo se produce el disparo de los interruptores y posteriormente un tiempo de duración de 6 horas para restituir el servicio con los cargadores. De acuerdo con esto, I*t = 2 * B + ( 2 * E ) / 3600 + 6 * H = 182,0166 182
Los amperios horas del banco se obtienen mediante la siguiente ecuación. Ah = fe * ft * fd * I*t = 1,25 * 1 * 1,15 * 182 = 261,6 Ah 262 Donde, fe = Factor de Envejecimiento. ft = Factor de Temperatura. fd = Factor de Diseño Con este valor buscamos en un catalogo de fabricante el valor de Ah igual o más cercano por arriba. Del catalogo Fulgor tenemos que la celda que más se adapta es la 5 EAN 55 de la serie 55 con unos 280 Amperios-hora de capacidad. Cabe resaltar que los amperios horas obtenidos anteriormente corresponden a una celda solamente cuyo voltaje nominal es de 2 V. 6.- Determinación del número de Celdas del banco de baterías. Cada celda 5 EAN 55 está en capacidad de entregar 280 Ah pero solo proporcionará 2 Voltios por celda en consecuencia el numero de celdas necesarios para suministrar al sistema un voltaje de 110 V es: Número de Celdas = 110 / 2 = 55 celdas. La especificación del banco será entonces: Voltaje de ecualización Vec = 55 * 2,33 Vcc = 128 Vcc Por lo general los equipos toleran 140 Vcc, por lo que las celdas cumplen con lo requerido, en consecuencia el Banco de Baterías estará compuesto por 55 celdas y una capacidad 280 Ah. 7.- Determinación del cargador de baterías.
La capacidad del cargador-rectificador del banco de baterías viene dado por la siguiente ecuación: AC = L + ( 1,1 * C ) / T donde, AC = Capacidad del ca rgador en Amperios. L = Carga continua en Amperios. C = Descarga calculada en la condición de emergencia en Ah. T = Tiempo de recarga en horas. De acuerdo con la ecuación el cargador deberá tener una capacidad en amperios igual a: AC = 19 A + ( 1,1 * 262 Ah) / 4 horas = 91,05 100 El voltaje de salida del cargador por lo tanto será 110 Vcc. El voltaje de entrada dependerá de la fuente de alimentación en corriente alterna de la subestación. La potencia de entrada del cargador en vatios se puede obtener de la siguiente ecuación: Potencia = AC * Vec / * fp = Eficiencia o rendimiento del cargador el cual debe especificarse en 0,7.
fp = Factor de potencia del cargador el cual debe especificarse en 0,8.
Bibliografía
Bancos de baterías
( Referencia:
“especificación
técnica
banco
de
baterías
y
cargador”
http://www.eneldistribuicao.com.br/ce/documentos/E-SE-013_R-00.pdf / http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/2009/10/sala-de-baterias-en-unasubestacion.html )
Tipos de Baterías ( Referencia: Guía de pruebas de baterías. Megger http://csa.megger.com/getmedia/04410f75-1b16-4f72-8614b2fb4e958d25/BatteryTestingGuide_AG_es_V04.pdf / Tritec.intervento )
Características Constructivas (Referencias: “Sala de baterías de una subestacion” http://www.eneldistribuicao.com.br/ce/documentos/E-SE-013_R-
00.pdf / http://www.ute.com.uy/empresa/lineas/distribucion/normalizacion/docs/et52013. pdf)
Requerimientos generales de diseño (Referencia: “Dimensionamiento de bancos
de
bateria
estacionarios”
http://www.guatecompras.gt/concursos/files/514/2566230@ETCE%20B07-2013019%20Pruebas%20de%20Banco%20de%20Baterias%20V07032013.pdf http://etapven.com/dimensionado_baterias.htm )
Condiciones de servicio (referencia: “ tableros de cargadores de 125 vcd y los bancos de baterías ”
https://www.google.co.ve/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=12&cad=rj a&uact=8&ved=0ahUKEwj00YLn9cjXAhXMNSYKHQSQDLAQFghNMAs&url=http%3 A%2F%2Fwww.rep.com.pe%2FProcesos%2520en%2520Curso%2F2015%2FSPU013-2015%2520%2520EPC_SE_FRIASPATA%2FABSOLUCI%25C3%2593N%2520DE%2520CONSULTA S%2FuPU-013-2015
Ing.%2520B%25C3%25A1sica%2520S.E.%2520Friaspata%2520220%2520kV%2520 AIS%2F7.3%2520Dise%25C3%25B1os%2520sistemas%2520secundarios%2FPE AM17-GP030-HUA-K021_Rev%25200%2FPE-AM17-GP030-HUAK021_Rev%25200.docx&usg=AOvVaw3Y107kfrGqtQZkpZVeYm3W )
Pruebas a bancos de baterías de una subestación (Referencia: Guía de pruebas de baterías. Megger http://csa.megger.com/getmedia/04410f75-1b16-4f72-8614b2fb4e958d25/BatteryTestingGuide_AG_es_V04.pdf)
Normas Aplicables ( Referencias: “ CARACTERISTICAS TECNICAS PARA SUMINISTRO DE BANCO DE BATERIAS 125 VDC Y RECTIFICADOR /CARGADOR 125 VDC PARA LAS SUBESTACIONES DEL SISTEMA ELECTRICO DE EMSA E.S.P ” http://www.emsaesp.com.co/new/contratacion/docs/docs823/CARACTERISTICAS%20TECNICAS%20C ARGADOR%20Y%20BANCO%20DE%20BATERIAS.pdf / http://www.eneldistribuicao.com.br/ce/documentos/E-SE-013_R-00.pdf )
Cargador de baterías (Sistema funcional) (Ref erencia: “Distribucion en subestaciones” http://www.eneldistribuicao.com.br/ce/documentos/E-SE-013_R00.pdf )
Dimensionamiento de baterías (Referencias: A continuación se cita literalmente un documento con el procedimiento según la norma utilizando una hoja de cálculo para el dimensionamiento)
Dimensionamiento de cargadores de baterías (Referencia : “ Guía practica de dimensionamiento de bancos y cargadores de baterías. SERVELEC S.R.L” https://issuu.com/servelec/docs/cargadores_y_bancos_de_baterias)
