Diseño de sistemas eléctricos seguros y fiables para los suministros eléctricos para minería

En las minas de todo el mundo, los equipos eléctricos transportan, trituran y muelen roca, transportan materias primas, iluminan oscuras cavernas, hacen funcionar bombas y ventiladores, y accionan taladros, cortadoras, colectores de polvo y elevadores. Los fallos de los equipos provocan costosas paradas de producción, por lo que se espera una alta fiabilidad a pesar de las vibraciones, los impactos y la exposición a productos químicos, polvo, calor y humedad.

Diseñar redes de suministro eléctrico para este entorno garantizando al mismo tiempo la seguridad de los trabajadores es todo un reto, pero se ve favorecido por la disponibilidad de productos eléctricos comerciales certificados conforme a las normas internacionales de funcionamiento y seguridad. Para simplificar el diseño del sistema y garantizar la compatibilidad entre componentes, los diseñadores pueden utilizar un único proveedor para gran parte del equipo necesario para crear una solución completa.

En este artículo se describen brevemente las exigencias medioambientales y de calidad de la energía que la minería impone a los equipos eléctricos. A continuación, presenta ejemplos de soluciones especializadas de SolaHD y explica cómo pueden aplicarse en un enfoque de varios niveles para garantizar la calidad de la energía y la seguridad de los trabajadores.

Los retos de la ingeniería eléctrica subterránea

En las minas, los equipos están expuestos a líquidos corrosivos, polvo combustible, suciedad, productos químicos agresivos, fuertes vibraciones, impactos aleatorios, subidas de tensión y variaciones extremas de temperatura. Sin embargo, se espera que los equipos y sus sistemas de alimentación sean seguros y fiables.

La seguridad se ve reforzada por la supervisión de instituciones como la Administración de Seguridad y Salud en las Minas de Estados Unidos (MSHA) y la Ley Federal de Seguridad y Salud en las Minas de 1977. Otra norma estadounidense es el Código Eléctrico Nacional (NEC) o la Asociación Nacional de Protección contra el Fuego (NFPA) 70. Esta norma se refiere a la instalación segura de cableado y equipos eléctricos. El artículo 500 de NEC exige la instalación de equipos conformes al código, probados y aprobados para riesgos específicos, incluidos los que se encuentran en las minas y sus alrededores.

Garantizar la calidad de la energía requiere comprender la arquitectura básica de la energía y los problemas asociados.

Por lo general, las minas obtienen su energía de la red de CA, aunque también se utiliza energía de CC de alto voltaje, suministrada por conversión CA/CC o microrredes de CC in situ. Un ejemplo son los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI). Los sistemas siguen un diseño básico: la alimentación de alta tensión de la red de CA alimenta transformadores de alta tensión que abastecen a una subestación principal. La subestación principal distribuye energía a varias subestaciones secundarias y directamente a los motores de mayor potencia de la mina. Las subestaciones secundarias suministran energía a cargas de media tensión y a transformadores de media/baja tensión conectados a otros equipos.

Aunque esta red de suministro suele ser estable, a menudo surgen problemas de calidad de la energía. Estos problemas se manifiestan en forma de interrupciones del suministro eléctrico, caídas de tensión, subidas de tensión, transitorios de tensión, distorsiones armónicas y ruido eléctrico (Figura 1).

Figura 1: Se muestran formas de onda que representan problemas de calidad eléctrica. (Imagen: Autor, con información de SolaHD)

Considere la causa y el efecto de estos problemas de calidad eléctrica:

Interrupciones del suministro eléctrico: Son pérdidas completas de energía durante un periodo prolongado, normalmente causadas por un accidente o un fallo del equipo en la red de generación o distribución de la empresa eléctrica. Las interrupciones del suministro eléctrico pueden provocar fallos en los equipos informáticos, detener las operaciones y reducir la vida útil de los equipos eléctricos.

Caídas de tensión: Describen lo que ocurre cuando la tensión suministrada está por debajo de los niveles mínimos normales durante un periodo prolongado. Se producen cuando el exceso de capacidad u otros problemas de la red obligan a las empresas eléctricas a bajar el voltaje para hacer frente a la demanda. Los efectos de las caídas de tensión son similares a los de las interrupciones.

Caída de tensión: Las caídas y subidas de tensión son las perturbaciones de la calidad eléctrica más comunes en la minería. Se producen cuando un aumento significativo de la carga somete a tensión a la alimentación, provocando que la tensión de alimentación caiga por debajo de un nivel umbral. El IEEE define un hueco como una reducción de la tensión del 10 al 90% por debajo de la tensión normal de 60 hercios (Hz). Un evento de sag dura menos de un minuto, pero más de 8 milisegundos (ms). Las subtensiones duran más de un minuto.

Tanto las caídas de tensión como las subtensiones pueden provocar disparos molestos de los disyuntores, averías y paradas de los equipos o fallos prematuros de los mismos. El funcionamiento continuado eleva el riesgo de combustión o explosión. Los signos de estos problemas incluyen luces tenues o parpadeantes, unidades de calefacción, ventilación y aire acondicionado que funcionan mal, motores que se calientan y sistemas de control de automatización y computadoras que se bloquean o se apagan.

Sobretensiones: Una sobretensión es un aumento temporal del nivel de tensión de una duración que oscila entre medio ciclo de frecuencia y unos segundos. Estas perturbaciones pueden deberse al apagado de motores eléctricos de alta potencia y a los ciclos normales de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. La exposición repetida a subidas de tensión puede estresar y debilitar los sistemas y provocar falsos disparos de los disyuntores y otros dispositivos de protección.

Otro problema asociado a las sobretensiones es la degradación del aislamiento. El deterioro del aislamiento pone en peligro el funcionamiento seguro del sistema eléctrico de la mina al servir de catalizador de incendios o desencadenar explosiones de metano o polvo de carbón.

Transitorios de tensión: Los transitorios de tensión, o picos, son el resultado de aumentos repentinos y significativos de la tensión causados por factores externos, como la caída de un rayo o la conmutación de la red eléctrica. También pueden originarse en el interior de la mina debido a cortocircuitos, disyuntores disparados y puesta en marcha de equipos pesados.

Los equipos electrónicos sensibles son los más expuestos a los transitorios de tensión, que pueden causar el bloqueo o fallo del sistema, corrompiendo o borrando datos valiosos.

Distorsiones armónicas: Los problemas de voltaje surgen cuando se producen múltiplos de la frecuencia fundamental (como 180 Hz en un sistema de 60 Hz) en la onda senoidal de alimentación. La distorsión armónica se debe a las características no lineales de dispositivos como los variadores de velocidad (VSD) y las cargas del sistema eléctrico. Los armónicos provocan un mayor calentamiento de los equipos y los conductores, fallos de encendido de los VSD y pulsaciones de par de torsión en los motores. Otros síntomas de distorsión armónica en un sistema eléctrico minero son interferencias con el sistema de comunicación de la mina, luces parpadeantes, interruptores disparados y conexiones eléctricas sueltas.

Hay muchos motores eléctricos en las minas, la mayoría de los cuales presentan VSD no lineales, lo que los convierte en la principal fuente de armónicos en una explotación minera. Además, el uso de un rectificador de onda completa en los motores mejora la eficiencia, pero genera armónicos considerables.

Ruido eléctrico: Se trata de una perturbación de baja amplitud, baja corriente y alta frecuencia generada dentro y fuera de la mina. Las fuentes pueden ser rayos lejanos, fuentes de alimentación conmutadas, circuitos electrónicos, contactos de cepillo de motor deficientes y cableado de mala calidad.

Las señales de ruido se superponen a las formas de onda de voltaje y pueden provocar fallos informáticos y efectos indeseables en los circuitos de los sistemas de control.

Resolución de problemas de calidad eléctrica

La mejor manera de hacer frente a los retos críticos de la demanda continua de energía de alta calidad en la minería, garantizando al mismo tiempo la robustez y altos niveles de seguridad eléctrica, es adoptar un enfoque de varios niveles utilizando equipos certificados que incluyan SAI, acondicionadores de potencia, dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD), transformadores y fuentes de alimentación.

La Tabla 1 resume los mejores equipos para controlar un determinado problema de calidad eléctrica.

Tabla 1: Se necesita una serie de dispositivos de protección para hacer frente a todos los problemas de calidad de la energía que pueden producirse en el entorno minero. (Fuente de la imagen: SolaHD)

Resulta útil trabajar con una única fuente, como SolaHD, para un enfoque de calidad de energía de varios niveles, a fin de simplificar el proceso de diseño, adquisición e implantación, así como para garantizar la compatibilidad. Por ejemplo, el UPS fuera de línea SDU500B de la empresa proporciona energía de reserva durante 4 minutos (min) y 20 segundos (s) a plena carga y 14 min y 30 s a media carga en caso de interrupción del suministro eléctrico (Figura 2). Como se muestra en la Tabla 1, este UPS también soporta la fuente de alimentación principal en caso de caídas de tensión, bajadas de tensión, subidas de tensión, transitorios de tensión y armónicos.

Figura 2: El UPS fuera de línea SDU500B proporciona energía de reserva durante 4 min y 20 s a plena carga. (Fuente de la imagen: SolaHD)

El UPS se monta en riel DIN y utiliza baterías de plomo-ácido selladas (SLA) libres de mantenimiento que se cargan completamente en ocho horas. Proporciona una salida de 300 vatios y 120 voltios con una onda senoidal simulada de 50 a 60 Hz y un tiempo de transferencia inferior a 8 ms. El UPS puede funcionar en un rango de temperaturas de 0 a 50 ˚C y es un "componente reconocido" para su uso en ubicaciones peligrosas clasificadas por zonas según la norma E491259, lo que lo hace adecuado para operaciones mineras.

Los acondicionadores de potencia de SolaHD también pueden regular un voltaje con una precisión de ±1% para variaciones de entrada de hasta +10/-20%, proporcionan una atenuación del ruido superior y están diseñados para soportar los entornos eléctricos más duros.

Los acondicionadores de potencia utilizan una técnica de diseño de transformadores llamada ferroresonancia que crea dos trayectorias magnéticas separadas en el dispositivo con un acoplamiento limitado. Una ventaja de este diseño es que la corriente de entrada contiene una corriente armónica despreciable en relación con la fundamental. El lado de salida del transformador cuenta con un circuito de tanque resonante paralelo y extrae potencia del primario para sustituir la potencia suministrada a la carga.

El regulador MCR Hardwire SolaHD 63-23-112-4 de 120 voltios-amperios (VA), por ejemplo, es un acondicionador de potencia que proporciona una salida de 120 voltios (±3%) a partir de una entrada de 120, 208, 240 ó 480 voltios. Garantiza un excelente filtrado del ruido y protección contra sobretensiones, además de regulación del voltaje. La atenuación del ruido es de 120 decibelios (dB) en modo común y de 60 dB en modo transversal. Su protección contra sobretensiones se ha probado conforme a las normas ANSI/IEEE C62.41 Clase A y B de forma de onda. El regulador de tensión MCR es una buena elección cuando se esperan caídas de tensión, sobretensiones, transitorios, armónicos y ruido eléctrico.

Los SPD protegen contra los transitorios de tensión que dañan los equipos. El SPD STV25K-24S de supresor de sobretensiones transitorias (TVSS) de SolaHD es un dispositivo para montaje en riel DIN que funciona con una entrada de 240 voltios (hasta 20 A) y proporciona protección en el punto de uso mediante un varistor de óxido de meta (MOV) (Figura 3).

Figura 3: El SPD TVSS STV25K-24S es un dispositivo para montaje en riel DIN que funciona con una entrada de 240 voltios (hasta 20 A) y proporciona protección contra sobretensiones en el punto de uso. (Fuente de la imagen: SolaHD)

El SPD SolaHD es adecuado para su instalación en armarios de control en entornos industriales hostiles, como una instalación minera. El dispositivo proporciona 25.000 A de protección contra sobretensiones por fase. El tiempo de respuesta a un transitorio es inferior a 5 nanosegundos (ns). El SPD incorpora fusibles térmicos para evitar el sobrecalentamiento del MOV causado por niveles de corriente excesivos.

Especificación de transformadores de aislamiento y fuentes de alimentación

Además de elevar o reducir una tensión alterna de entrada a un valor de salida adecuado, los transformadores de aislamiento pueden proteger los dispositivos conectados al secundario de los armónicos y el ruido eléctrico.

Un ejemplo es el SolaHD E2H112S. Este transformador de aislamiento es un tipo seco de bajo consumo que incorpora una protección contra la intemperie. Tiene una entrada primaria de 480 voltios (hasta 135 A), ofrece 208 o 120 voltios en el secundario (hasta 315 A) y una potencia nominal de 112.5 kilovoltios-amperios (kVA) (Figura 4). El transformador también mitiga los armónicos y el ruido eléctrico.

Figura 4: El transformador de aislamiento E2H112S toma una entrada de 480 voltios en el primario y ofrece 208 ó 120 voltios en el secundario. El transformador también mitiga los armónicos y el ruido eléctrico. (Fuente de la imagen: SolaHD)

El transformador debe protegerse contra las corrientes de irrupción mediante un disyuntor. Es una buena práctica de diseño seleccionar un disyuntor con un retardo de tiempo adecuado para eliminar disparos molestos. Este fenómeno se produce cuando la corriente de irrupción es elevada pero de duración insuficiente para dañar el transformador.

Las fuentes de alimentación son vitales para cualquier sistema de suministro eléctrico, ya que proporcionan alimentación de CA o CC a los equipos y ayudan a filtrar el ruido eléctrico de la alimentación principal. Las versiones para montaje en riel DIN son ordenadas y ahorran espacio. Existen modelos monofásicos y trifásicos de CA; también es posible especificar dispositivos capaces de soportar caídas de tensión de hasta la mitad de la tensión de línea sin interrupción de la potencia de salida.

SolaHD ofrece una gama de fuentes de alimentación de riel DIN, como la fuente de CA/CC SDN5-24-100C (Figura 5). Se trata de una alimentación monofásica y cumple la especificación E234790 sobre ubicaciones peligrosas. Puede aceptar una entrada de 85 a 264 voltios CA (VCA) o una entrada de 90 a 375 voltios CC (VCC), suministrando una salida nominal de 24 voltios. La corriente de salida es de 5 A. La ondulación de la tensión en la salida es inferior a 50 milivoltios (mV) pico a pico. La fuente de alimentación presenta una alta inmunidad contra interferencias electromagnéticas (EMI) y un rango de temperatura de funcionamiento de -25 a +60 ˚C. Es compacto, mide 123 x 50 x 111 mm y está protegido contra cortocircuitos continuos, sobrecargas continuas y fallos continuos de circuito abierto.

Figura 5: La SDN5-24-100C es una fuente de alimentación compacta montada en riel DIN que mide 123 x 50 x 111 mm. (Fuente de la imagen: SolaHD)

Conclusión:

Las minas son entornos física y eléctricamente difíciles para garantizar la calidad de la energía y la seguridad de los trabajadores. Los diseñadores deben adoptar un enfoque de varios niveles en el que cada componente del sistema de suministro eléctrico pueda funcionar de forma fiable a la vez que se reducen los problemas de calidad de la energía. El equipo eléctrico también debe cumplir las normas de seguridad pertinentes. Al trabajar con un único proveedor, los diseñadores pueden construir rápidamente una red eléctrica que mejore la fiabilidad del emplazamiento, reduzca los costos de mantenimiento, garantice la seguridad y mitigue los problemas de calidad eléctrica antes de que afecten a las operaciones.