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El sistema de alimentación de control de CC de una subestación es un suministro eléctrico independiente (normalmente 110 V o 125 V de CC procedente de un banco de baterías y un cargador) que alimenta los relés de protección, las bobinas de disparo de los disyuntores y los circuitos de control independientemente de las condiciones del sistema de CA. Cuando esta base falla, los disyuntores no pueden dispararse, los relés no pueden funcionar y los fallos se queman sin control.
La experiencia de campo en más de 50 subestaciones industriales revela un patrón preocupante: 15-20% de los “fallos” de los relés de protección se deben en realidad a un rendimiento degradado del sistema de CC. El relé funcionaba bien. La batería no.
Los relés de protección requieren una tensión continua estable dentro de ±10% de la nominal. Un sistema de CC de 125 V que baje a 95 V durante un fallo -cuando varias bobinas de disparo demandan corriente simultáneamente- puede no accionar los interruptores dentro del tiempo de despeje requerido de 3 a 5 ciclos. El esquema de protección parecía perfecto sobre el papel. En la práctica, la subtensión acabó con él.
Las baterías de estación en aplicaciones industriales y de servicios públicos suelen consistir en celdas de plomo-ácido (de tipo inundado o VRLA) con una capacidad nominal de descarga de 8 horas. Los cálculos de tamaño según [VERIFICAR NORMA: IEEE 485] requieren que las baterías suministren cargas en el peor de los casos, incluyendo:
Cargas continuas: carga de relés, luces indicadoras, SCADA RTU (normalmente 5-15A en total)
Las pruebas realizadas en aplicaciones mineras con frecuentes cambios de carga revelaron que las baterías degradadas por debajo de la capacidad de 80% no soportaban el disparo simultáneo de varios disyuntores durante los fallos de bus. La protección coordinada se colapsó precisamente cuando más importaba.
El cargador debe mantener la tensión de flotación entre 2,17 y 2,25 V por celda (130-135 V para cadenas de 60 celdas) y, al mismo tiempo, suministrar corriente tanto para cargas continuas como para la recarga de la batería. Los fallos del cargador suelen manifestarse gradualmente a través de la desviación de la regulación de tensión, por lo que es esencial realizar verificaciones periódicas.
Dos tecnologías de baterías dominan las aplicaciones en subestaciones:
Plomo-ácido ventilado (VLA): Células inundadas con tapones desmontables que requieren la adición periódica de agua. Producen hidrógeno durante la carga y necesitan salas ventiladas. Su vida útil alcanza los 15-20 años con un mantenimiento adecuado, pero “adecuado” significa controles trimestrales del electrolito y cargas anuales de ecualización.
Plomo-ácido regulado por válvula (VRLA): Construcción sellada que utiliza estera de vidrio absorbido o electrolito de gel. Requiere menos mantenimiento, pero es menos tolerante a la sobrecarga y a las temperaturas ambiente elevadas. De 10 a 12 años en condiciones favorables. A una temperatura ambiente continua de 35 °C, se reduce a 5-6 años.
La configuración de las células depende de la tensión objetivo. Un sistema de 110 V CC utiliza 55 células a 2,0 V nominales. Un sistema de 125 V CC utiliza 60 células. Las conexiones en serie significan que una célula débil afecta a toda la cadena.
El cargador funciona en tres modos:
Los cargadores conmutados modernos ofrecen una regulación precisa y supervisión digital. Los antiguos diseños ferroresonantes siguen funcionando en muchas instalaciones, pero son menos precisos.
[Perspectiva del experto: Realidades de la sala de baterías]
El cargador enmascara perfectamente este problema. El voltaje parece normal durante la operación de flotación. El consumo de corriente parece estable. Entonces falla la alimentación de CA, y un banco VRLA de 10 años entrega 60% de capacidad nominal. El tiempo de reserva pasa de 8 horas a menos de 3.
Los síntomas sólo aparecen bajo carga: caída rápida de la tensión cuando el cargador se desconecta, menor duración de la reserva y desequilibrio de la tensión de las células bajo tensión de descarga.
El apagado completo es obvio. La deriva de tensión no lo es. Una condición de sobretensión (por encima de 2,30 V/celda flotante) acelera la corrosión de la red y seca el electrolito. La baja tensión deja las baterías parcialmente descargadas, reduciendo la capacidad de reserva y acelerando la sulfatación.
Umbrales de alarma críticos para un sistema de 110 V CC:
| Estado de alarma | Umbral | Consecuencia |
|---|---|---|
| Alta tensión CC | >126V | Daños en el equipo, envejecimiento acelerado de la batería |
| Baja tensión CC | <105V | Descarga de la batería, posible fallo del cargador |
| Fallo del cargador AC | Entrada perdida | Batería a plena carga |
| Fallo a tierra | >0,5 mA a tierra | Degradación del aislamiento detectada |
La mayoría de los sistemas de CC de las subestaciones funcionan sin conexión a tierra. Este diseño tolera un único fallo a tierra: sin vía de retorno no hay flujo de corriente. El sistema sigue funcionando mientras usted localiza el problema.
Un segundo fallo a tierra lo cambia todo. Si el primer fallo se produce en el bus positivo y el segundo entra en contacto con el terminal negativo de una bobina de disparo, la corriente fluye a través de tierra. La bobina de disparo puede funcionar de forma espuria. O peor aún: los fallos que puentean completamente la bobina de disparo impiden el funcionamiento durante los fallos reales.
Un terminal de batería suelto muestra una resistencia insignificante a una corriente de flotación de 2A. Esa misma conexión a 30A de corriente de bobina de disparo deja caer la tensión por debajo del umbral de funcionamiento de la bobina. La resistencia de 0.5Ω que parecía aceptable crea una caída de 15V bajo carga.
Los ciclos térmicos provocados por las oscilaciones diarias de temperatura aflojan progresivamente las conexiones atornilladas. Los postes de la batería y los conectores entre celdas son los culpables habituales.
Los perfiles de carga se dividen en continuos (relés, indicadores: 5-15A), momentáneos (bobinas de disparo: 30-50A durante 100-200ms) y de emergencia (iluminación, ventilación durante el corte). Los bancos subdimensionados soportan el funcionamiento normal, pero fallan cuando un fallo de bus exige disparos simultáneos de varios disyuntores.
La capacidad disminuye con la temperatura:
| Temperatura | Capacidad aproximada |
|---|---|
| 25°C | 100% (referencia) |
| 15°C | 90% |
| 0°C | 75% |
| -18°C | 50% |
El calor acelera el envejecimiento: la vida útil de la batería se reduce a la mitad por cada 8-10 °C por encima de 25 °C. En las subestaciones exteriores de climas cálidos, los ciclos de sustitución de las VRLA son de 6-7 años en lugar de 12.
La localización de fallos a tierra requiere un aislamiento sistemático:
Paso 1: Confirme la indicación de fallo en el relé de detección de tierra o en el dispositivo de vigilancia del aislamiento. Observe si el fallo se produce en el bus positivo o negativo.
Paso 2: Abra los disyuntores secuencialmente, empezando por los circuitos más grandes o sospechosos.
Paso 3: Controle el detector de tierra después de que se abra cada disyuntor. Cuando desaparezca la indicación de avería, habrá aislado la rama averiada.
Paso 4: Dentro de la rama averiada, segmente y pruebe más utilizando el mismo enfoque de abrir y supervisar.
Paso 5: Inspeccione los puntos de avería comunes:
El equipo de detección incluye circuitos de puente de resistencia equilibrada, divisores de tensión con referencia de toma central y dispositivos de supervisión de aislamiento activo que proporcionan lecturas cuantitativas en kΩ.
[Visión experta: Búsqueda de fallos a tierra]
Las consecuencias se suceden en cascada:
Los relés de protección pierden potencia. La detección de fallos se detiene. El elemento de sobreintensidad que debería detectarse en 20 ms no ve nada porque su fuente de alimentación está muerta.
Las bobinas de disparo permanecen sin alimentación. Incluso si un relé de reserva funciona mediante un esquema alimentado por TC, el disyuntor de vacío no puede dispararse sin corriente continua en su bobina. El mecanismo permanece bloqueado mientras fluye la corriente de fallo.
Falla la comunicación SCADA. Los operadores no pueden ver el problema en desarrollo. Las alarmas que deberían haberse disparado minutos antes nunca llegan a la sala de control.
El reenganche automático se desactiva. La secuencia de restablecimiento que habría vuelto a dar tensión a la línea tras un fallo transitorio no puede ejecutarse.
La avería arde hasta que actúa la protección aguas arriba, si la protección aguas arriba tiene una alimentación de CC en buen estado. De lo contrario, la destrucción del equipo acaba por limitar la corriente de defecto. Los devanados de los transformadores fallan. Los cables explotan. Los incidentes de arco eléctrico se intensifican.
La tolerancia de tensión de la bobina de disparo es importante en este caso. La mayoría de las bobinas especifican 80-110% de tensión nominal para un funcionamiento fiable. Una bobina de 110 V CC necesita al menos 88 V para generar la fuerza suficiente para desbloquear el mecanismo. Por debajo de ese umbral, se produce un funcionamiento parcial o un fallo completo.
Comprender los requisitos de disparo de los disyuntores de vacío ayuda a especificar correctamente los sistemas de CC: https://xbrele.com/what-is-vacuum-circuit-breaker-working-principle/
Tareas mensuales:
Tareas trimestrales:
Anualmente:
Pruebas de capacidad:
Ajustar la tensión de CC a las especificaciones del interruptor evita fallos operativos. Verifique la tensión nominal de la bobina de disparo, la tensión mínima de funcionamiento y la tensión continua máxima antes de finalizar el diseño del sistema de CC. El interruptor en vacío depende de un funcionamiento fiable del mecanismo: https://xbrele.com/what-is-a-vacuum-interrupter/
Las opciones de redundancia para instalaciones críticas incluyen:
Los sistemas de supervisión continua de baterías miden la tensión de cada célula, la resistencia de la conexión entre células y la temperatura ambiente. Establecen tendencias de los datos y alertan de las desviaciones antes de que se produzcan fallos, lo que justifica su coste gracias a la alerta temprana y la reducción de la carga de inspección manual.
Incluir los requisitos de tensión de control de CC en las especificaciones de contratación. La lista de comprobación del pliego de condiciones en https://xbrele.com/vcb-rfq-checklist/ cubre los parámetros del circuito de control junto con los valores nominales primarios. Para obtener soluciones completas de disyuntores de vacío con sistemas de control debidamente adaptados, póngase en contacto con el equipo de ingeniería de XBRELE: https://xbrele.com/vacuum-circuit-breaker-manufacturer/
Referencia externa: IEC 62271-106 - Norma IEC 62271-106 para contactores de CA
P: ¿Qué nivel de tensión continua es el más habitual para la protección de subestaciones de media tensión?
R: La corriente continua de 110 V predomina en las regiones alineadas con la CEI, incluidas China y Europa, mientras que la corriente continua de 125 V es estándar en las subestaciones de servicios públicos norteamericanas que siguen las prácticas IEEE/ANSI. La selección depende de las normas regionales y de la compatibilidad de los equipos instalados.
P: ¿Durante cuánto tiempo debe proporcionar energía de reserva un banco de baterías del tamaño adecuado?
R: La práctica de diseño suele especificar de 4 a 8 horas de autonomía, lo que proporciona tiempo suficiente para la respuesta del operador o el restablecimiento del personal de servicios públicos. Las instalaciones críticas pueden especificar una duración mayor en función del análisis del tiempo de restablecimiento.
P: ¿Por qué las subestaciones utilizan sistemas de CC sin conexión a tierra en lugar de con conexión a tierra?
R: Los sistemas sin conexión a tierra siguen funcionando con un solo fallo a tierra, lo que da tiempo a localizar y reparar el problema antes de que un segundo fallo provoque el fallo de la protección. Esta resistencia tiene el coste de requerir equipos de detección de tierra y procedimientos sistemáticos de localización de fallos.
P: ¿Cómo puedo saber si la capacidad de la batería se ha degradado sin realizar una prueba de descarga?
R: La dispersión del voltaje de cada célula durante la carga de flotación indica el estado relativo de la célula: las células que se alejan más de 0,05 V de la media de la cadena deben investigarse. Sin embargo, sólo una prueba de descarga controlada revela la capacidad real disponible en condiciones de carga.
P: ¿Qué causa los fallos de disparo del disyuntor que parecen aleatorios?
R: Las conexiones de alta resistencia en la ruta de alimentación de CC crean caídas de tensión que sólo aparecen durante el funcionamiento de la bobina de disparo de alta corriente. Las mediciones de tensión de flotación muestran lecturas normales, pero la conexión falla bajo la carga momentánea de 30-50A del funcionamiento de la bobina de disparo.
P: ¿Pueden los sistemas de control de baterías sustituir a las pruebas periódicas de descarga?
R: Los sistemas de monitorización proporcionan tendencias continuas y alertas tempranas del deterioro de las células, pero miden indicadores indirectos en lugar de la capacidad de suministro real. La práctica industrial utiliza la monitorización para optimizar la programación de las pruebas en lugar de eliminarlas por completo.
P: ¿Cuál es el intervalo de sustitución habitual de las baterías VRLA en subestaciones?
R: Las baterías VRLA en entornos climatizados suelen requerir una sustitución a los 10-12 años. Las temperaturas ambiente elevadas, las descargas profundas frecuentes o los resultados de las pruebas de capacidad por debajo de 80% del valor nominal provocan una sustitución más temprana, independientemente de la edad.
