La confiabilidad en los sistemas eléctricos

La confiabilidad en los sistemas eléctricos. Juan Carlos Orjuela

“La confiabilidad de los sistemas eléctricos, puede afectar

positiva o negativamente la productividad y la seguridad de los procesos y

personas en una empresa. Por esta razón, la disponibilidad del fluido eléctrico se ha vuelto un tema de vital importancia para las

compañías “

FORUM CONSTRUCCION 2008/ Juan Orjuela 2

Confiabilidad

● La confiabilidad, es la probabilidad de que un equipo o un sistema

cumpla con su misión específica bajo condiciones de uso determinadas en un periodo determinado.

● El nivel de confiabilidad requerido por un sistema debe ser establecido de acuerdo con la criticidad de las cargas del mismo y debe basarse en estudios que contemplen las necesidades o características del proceso en términos de disponibilidad , seguridad , mantenimiento y fiabilidad.


Confiabilidad ● Las cargas de un sistema se

deben clasificar de acuerdo con su sensibilidad a la perdida de continuidad de servicio:

1. Cargas que aceptan paradas prolongadas . 1 o más horas (No prioritarias)

2. Cargas que aceptan paradas por varios minutos ( Prioritarias)

3. Cargas que deben alimentarse de nuevo en cuestión de segundos ( Esenciales )

4. Cargas que no aceptan ninguna interrupción ( Vitales)



Confiabilidad

Confiabilidad

La confiabilidad de un sistema esta ligada a su aptitud para mantener la continuidad de servicio en caso de falla de alguno de los componentes que lo conforman. Depende directamente de la fiabilidad de los equipos instalados en él y del tiempo de reparación de los mismos en caso de falla. Un sistema confiable debe garantizar la seguridad de las personas y de los procesos críticos ante cualquier eventualidad.

Disponibilidad : 99,99%


Confiabilidad

● MTTF: Mean Time To Failure.( Tiempo medio antes de que la primera falla ocurra).

● MTTR: Mean Time To Repair.( Tiempo medio para reparar una falla).

● MTBF: Mean Time Between Failures. (Tiempo medio entre fallas).


Confiabilidad

Doscientos pequeños motores fueron puestos en funcionamiento, a medida que tuvieron el primer desperfecto (falla) fueron retirados de la experimentación, se decidió detener los ensayos cuando el último de ellos sufriese el primer desperfecto.

MTBF

MTBF : 8,23 Meses


Confiabilidad

● La disponibilidad representa el porcentaje del tiempo en el que el sistema funciona correctamente.

D(T) =MTBF/ MTBF+ MTTR

● Por ejemplo:

● 99,987% de disponibilidad significa que hay

99,987% de oportunidades para que el sistema se encuentre operando en forma correcta en el tiempo esperado.

Tabla de niveles de disponibilidad y tiempos anuales de inactividad.


Confiabilidad

● La fiabilidad es la aptitud de un sistema o de un equipo a funcionar correctamente durante la mayor parte de tiempo posible bajo condiciones establecidas . (Ambientes adecuados).

La fiabilidad de un equipo esta ligada a su robustez ( Número de maniobras ), y a su aptitud de quedar en servicio aún después de operar en su límite máximo.

Otro indicador importante es la tasa de fallas (λλλλ) = 1/MTBF

Fiabilidad: R(0,t) = e –λλλλt

Fiabilidad red(Serie) = R1(t) * R2(t)*……Rn(t)

Fiabilidad red(Paralelo) = 1- ((1-R1(t))*(1-R2(t)* ……..(1-Rn(t)))

● La Mantenibilidad se refiere a la aptitud del sistema a ser reparado rápidamente.

Ligada al valor de MTTR. FORUM CONSTRUCCION 2008/ Juan Orjuela 10

Confiabilidad

● La Mantenibilidad se refiere a la aptitud del sistema a ser reparado rápidamente.

Esta ligada al valor de MTTR.

● La Seguridad es la probabilidad de evitar un suceso catastrófico que genere daños graves o ponga en riesgo la vida de las personas.


Confiabilidad


Confiabilidad

TIER I TIER II TIER III TIER IV

Número de 1 1 1 active 2 active alimentaciones 1 Passive

Tiempo fuera permitido al año 28.8 hrs 22.0 hrs 1.6 hrs 0.8hrs

UPTIME institute-ANSI / TIA 942

Componentes redundantes N N+1 N+1 2 (N+1) or S+S

Disponibilidad del sitio 99.67% 99.74% 99.98% 99.99%


Confiabilidad

TIER 1 TIER 2

24 horas


Confiabilidad

TIER 3 TIER 4

72 horas

96 horas


Confiabilidad ● Para evaluar la confiabilidad de un sistema eléctrico, es necesario

adelantar un estudio que nos servirá como base para la toma de decisiones.

Este análisis nos permitirá : 1. Evaluar las necesidades y los riesgos 2. Comparar las arquitecturas 3. Justificar las decisiones con datos reales. 4. Optimizar los costos de diseño

Cuando los sistemas ya se encuentran en operación, este análisis nos permitirá proponer acciones para mejorar la infraestructura:

1. Disminuir el número y duración de las fallas 2. Establecer de mejor forma los requerimientos de mantenimiento. 3. Aumentar la eficiencia total del sistema 4. Definir los repuestos que se deben tener para reparar una falla

en el menor tiempo posible.


Confiabilidad ● Metodología y herramientas :

● Bases de datos de MTBF ● IEEE std 493-1997, NPRD91, U.S. Military

Handbook 217, … ● Bases de datos de Schneider Electric.

● Método PHD: ● Análisis preliminar de riesgos que identifica los

principales riesgos y evalúa sus consecuencias.

● Método FMECA ● Analiza los modos de falla y sus efectos, los

efectos de los daños de los componentes en el sistema y la criticidad de las cargas.

● Arboles de falla

● Simulaciones numéricas

System fault

Inverter fault

OR

DC voltage fault

AND

Rectifier shutdown

Battery fault

OR

Utility input fault

Rectifier fault


Confiabilidad ● Los estudios de confiabilidad , contemplan el análisis de redes de BT, MT y AT,

así como el de sus sistemas de monitoreo y control.


Confiabilidad ●

Estos pasos deben repetirse en caso de que se deban comparar varias topologías , o en casos de que se necesite encontrar la mejor opción técnico- económica

Un estudio de confiabilidad debe contemplar las siguientes etapas:


Confiabilidad ● En la etapa de análisis de requerimientos del cliente ,el responsable del

estudio ,debe definir cual es su alcance , cuales serán los puntos a evaluar ( verificación del nivel de disponibilidad en las cargas críticas, los escenarios técnicos y económicos posibles ,la arquitectura más adecuada ,etc.) ,la evaluación del nivel de riesgo y la clasificación de las cargas de acuerdo con su criticidad.


Confiabilidad ● El segundo paso es la realización del análisis funcional del sistema etapa en

la que se describe la función de la red y de cada uno de sus componentes así como su papel dentro de la red . De igual forma , se hace un análisis de todos aquellos eventos que inducen el sistema a cambiar y se determinan los puntos en donde el sistema se debe reconfigurar cuando suceden dichos cambios.


CONSTRUCCION 2008 Juan Or uela

Confiabilidad ● El tercer paso es el análisis de los tipos de fallas que pueden presentarse

en cada uno de los componentes del sistema , sus posibles causas y las consecuencias en el funcionamiento del sistema. A cada uno de los tipos de falla se le debe asociar la tasa de fallas respectiva ( probabilidad de que la falla ocurra),el tiempo de reparación y la frecuencia de mantenimiento .

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Confiabilidad ● Finalmente , viene la etapa en la que se modela el sistema mediante un

gráfico que representa los eventos que contribuyen a la perdida de continuidad de servicio en las cargas críticas y los procedimientos de reparación


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Confiabilidad

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Confiabilidad ● Además de la topología de red , la calidad y el mantenimiento de los equipos ,

existen otros aspectos que pueden afectar la confiabilidad de los sistemas dentro de los cuales podemos resaltar :

1. Diseño del sistema ( Errores en el cálculo de los componentes del sistema)

2. Instalación de los equipos ( No seguir las recomendaciones del fabricante)

3. Las características y el número de fuentes de respaldo de potencia existentes ( Suplencias del OR ,Generadores y UPS)

4. Ambientes de trabajo inapropiados(Polución,temperatura,vibración,altura,etc)

5. La selectividad de las protecciones .

6. La calidad de la potencia ( Perturbaciones en la onda de tensión y de corriente)

7. Puestas a tierra de equipos y sistemas de puesta a tierra.

8. Errores humanos.

9. Sabotaje. FORUM CONSTRUCCION 2008/ Juan Orjuela 28

Confiabilidad ● Las variaciones en la onda de tensión y de corriente afectan la confiabilidad


Confiabilidad ● Para mejorar la confiabilidad de las instalaciones eléctricas , se deben seguir

las siguientes recomendaciones :

1. Seleccionar equipos robustos , con altos niveles de MTBF, bajos niveles de MTTR y aptos para quedar en servicio después de operar bajo falla (Número de maniobras , Icw, Ics =100% Icu).

2. Seguir las recomendaciones de instalación del fabricante.

3. Utilizar fuentes de respaldo con suficiente autonomía de operación. En el caso de las UPS, seleccionar tecnologías online de doble conversión o de conversión delta .

4. Garantizar ambientes de trabajo adecuados para los equipos.

5. Mantener niveles de PQ adecuados . (SGE ,Creg 016, IEEE 519 , EN50160)

6. Capacitar adecuadamente al personal en la operación y Mtto de los equipos.

7. Establecer protocolos de seguridad adecuados para la operación de los sistemas eléctricos ( Sistemas de CCTV y control de acceso a salas de control , operación de sistemas SCADAS solamente por personal autorizado, etc.,)


Confiabilidad ● En lo posible , garantizar niveles de selectividad total en las protecciones ante

la presencia de un corto circuito.

● Realizar los cálculos de coordinación de aislamiento para los equipos críticos.


Confiabilidad ● Existen hoy regulaciones locales vigentes y de obligatorio cumplimiento que

inciden en los niveles de confiabilidad de los sistemas eléctricos:

RETIE 1. Para sitios con alta concentración de personas es obligatorio un estudio de

protección contra rayos ( Basado en la NTC 4552)

2. Dentro del diseño de proyectos , es obligatorio el estudio de coordinación de protecciones y en algunos casos el de aislamiento.

3. Se exige el uso de UPS , de tableros de aislamiento y de sistemas de puesta tierra con neutro aislado en las áreas críticas de los hospitales para privilegiar la continuidad de servicio y la vida de las personas.


Confiabilidad

CREG 1. Creg 070/98 en donde se establecen los aspectos referentes a la calidad de

servicio y calidad de potencia

2. Creg 024 y 016 : Resoluciones que modifican el reglamento de distribución en los artículos relacionados con la calidad de potencia y establecen los nuevos indicadores para la calidad de la potencia.


0CB

T.3I

Confiabilidad

CB.11

CB.1 CB.9

CB.8 CB.7

.6

CB.4

CB

.3

CB.2

CB.1

TR.1

TR.2

PRO PROT.2 PROT.1 CB2.1 CM.1 IM.2 M.1

Process

Design

Implementation

Operation

Maintenance Optimization

Extensions Improvement

New Design Retrofit

End of life

●Schneider Electric lo apoya en el desarrollo de su proyecto desde la concepción hasta su fin de vida:

● Analizando sus necesidades.

● Apoyándolo en el diseño de la arquitectura

más adecuada.

● Guíandolo en la selección e instalación de los

equipos más adecuados.

● Diseñando rutinas seguras de operación y

mantenimiento.

● Proponiendo mejoras en las instalaciones y

orientandolo cuando los equipos lleguen a su

fín de vida.


Confiabilidad

● Nuestra propuesta de soluciones se fundamenta en tres pilares que interactúan entre sí para maximizar el nivel de confiabilidad en los sistemas eléctricos:

●Arquitecturas adaptadas y con niveles de disponibilidad garantizados:(Tier 1 : 99,951, Tier 2: 99,991 , Tier 3 : 99,9998, Tier 4 : 99,99998)

●Productos : Suministro de equipos robustos con altos valores de MTBF.

●Servicios: Auditorías de EE y disponibilidad de los sistemas, Servicios de mantenimiento predictivo y correctivo a la medida.


Confiabilidad



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