La nueva generación de aparamenta inteligente de media tensión

Mar 09, 2023

La visión original del Internet Industrial de las Cosas (IIoT) era de activos inteligentes que comunicaban su estado y condiciones a aplicaciones de software centralizadas que agregarían, realizarían análisis, identificarían riesgos y dirigirían de manera inteligente la acción humana. Un problema importante con esta visión es que los activos de capital existentes no eran "inteligentes". Para obtener datos de la condición del equipo, uno tenía que agregar nuevos sensores al activo o extraer datos de sensores (si existían) de los sistemas de automatización instalados.

Por lo tanto, gran parte del trabajo inicial en el área de IIoT se centró en "máquinas grandes que giran"; equipos rotativos de capital intensivo, como grandes motores, motores, generadores, turbinas, compresores, etc. Estos equipos generalmente ya estaban equipados con alguna instrumentación de monitoreo de condición o podían adaptarse con relativa facilidad, haciendo que estos datos críticos estuvieran disponibles. Pero cuando se trataba de activos pasivos o no rotativos (como aparamenta eléctrica), el modelo IIoT también encajaba. A pesar de que dicho equipo podría ser absolutamente crítico para una fábrica, una planta, un aeropuerto o un centro de datos, permanecía en gran medida sin supervisión y era invisible.

Hoy en día, una nueva generación de interruptores incorpora una capacidad de detección mucho mayor e incluye conectividad incorporada que facilita aplicaciones de nivel superior para control avanzado, agregación de datos y análisis.

En el pasado reciente, algunos equipos de distribución de media tensión han incluido capacidad de detección (principalmente para temperaturas y corrientes). Lo que hace que los últimos productos sean nuevos y diferentes es el alto nivel de detección integrado en el equipo y las razones de esta detección adicional. La detección adicional es complementaria a los controles de la aparamenta. Los nuevos sensores realizan mediciones que son indicadores de componentes críticos y del estado y confiabilidad general del tablero de distribución. La nueva detección está específicamente dirigida a proporcionar indicadores de rendimiento de propiedades mecánicas y eléctricas. Además, estas mediciones se realizan no solo durante el mantenimiento, sino también de forma continua y con cada operación de la aparamenta.

La tabla cercana proporciona una lista de algunas de las medidas disponibles en los diseños de equipos más nuevos. Pero un par de ejemplos ilustrarán mejor el valor potencial proporcionado por esta nueva riqueza de información.

En primer lugar, en cualquier pieza de aparamenta eléctrica, los componentes de la cadena de disparo son los más críticos. Estos cumplen la función protectora. En aparamenta de MT, esta cadena consta de una bobina de disparo, que a su vez activa un mecanismo. El mecanismo abre mecánicamente los contactos del interruptor de vacío, lo que detiene el flujo de corriente y extingue cualquier arco eléctrico. Incluso si la función de disparo se activa por una falla eléctrica solo una vez durante los aproximadamente 40 años de vida útil del tablero de distribución, la operación adecuada en ese momento único es más imperativa. El problema con la aparamenta existente es que, si bien algunas mediciones eléctricas estaban disponibles de forma continua, el rendimiento de los componentes mecánicos críticos de la cadena de disparo solo se midió durante el mantenimiento programado (si es que lo hizo). Los datos necesarios para evaluar el rendimiento general de la aparamenta no estaban disponibles de ninguna otra forma, excepto a través del mantenimiento y las pruebas fuera de línea.

Por el contrario, los equipos de última generación miden la velocidad del mecanismo de disparo con cada operación, independientemente de si la operación es planificada o de protección. A nivel local, esta información proporciona una indicación de la salud del mecanismo. Pero la misma información puede ser histórica y agregada para permitir tendencias más concluyentes, evaluación de condiciones, diagnóstico y mantenimiento predictivo.

Un segundo ejemplo de detección nueva es la medición del espacio de erosión de los contactos del interruptor de vacío. Con el tiempo y múltiples operaciones de alta corriente, estos contactos pueden erosionarse levemente. Pero dadas las altas corrientes y la potencia involucradas, incluso los niveles pequeños de erosión (menos de 1 mm) pueden ser bastante significativos. Ahora el equipo puede medir la posición del mecanismo, la alineación y la erosión de los contactos del interruptor. Una vez más, esta es información sobre la condición del interruptor automático que solo estaría disponible durante el mantenimiento fuera de línea para equipos de conmutación convencionales. Las mediciones se realizan después de cada operación, lo que proporciona una indicación medida y validada del estado de la aparamenta.

Un punto importante con respecto a la nueva capacidad de detección es que ha sido diseñada para enfocarse en las mediciones más críticas, no solo en aquellas que son fáciles de obtener. El diseño de la aparamenta debe agregar detección a áreas específicas que la historia ha demostrado que son las principales fuentes de problemas en la aparamenta. Por lo tanto, los nuevos datos del sensor son directamente relevantes para el estado y el rendimiento del equipo. Se puede obtener un valor aún mayor mediante el historial, la agregación y el análisis de estos datos, independientemente de si esto lo hace el propietario-operador o si lo hace a través de un servicio administrado por un OEM del equipo.

Una consideración de conveniencia y seguridad operativa muy importante es la capacidad de realizar operaciones de equipo desde una distancia segura. Las lesiones por equipos eléctricos representan un grave problema de salud y seguridad. Hay miles de accidentes eléctricos al año y de 5 a 10 incidentes de arco eléctrico por día solo en los EE. UU. Estos incidentes pueden ser devastadores para la salud de los trabajadores y también costosos. OSHA estima que la atención médica para lesiones por arco eléctrico puede costar más de $1 millón. Eso se suma a los daños al equipo, los cortes de energía, la pérdida de negocios y las posibles acciones regulatorias. Sin embargo, la capacidad de interactuar con equipos eléctricos de media tensión desde una distancia segura mitiga muchos riesgos de seguridad, incluido el arco eléctrico.

El equipo de conmutación debe admitir una interfaz hombre-máquina (HMI) versátil, que se puede operar desde muchas ubicaciones en muchos dispositivos. La HMI debe poder evaluarse desde una pantalla de panel montada en un gabinete. Pero donde se prefiera, la misma interfaz debe duplicarse a través de una red inalámbrica en una tableta de mano o incluso en un teléfono celular.

Esto permite que las operaciones se realicen desde una ubicación conveniente y que se encuentre a una distancia segura del propio equipo. Las operaciones admitidas deben incluir el almacenamiento, la conmutación y la supervisión del estado y las condiciones de la aparamenta. A través de esta capacidad remota, la aparamenta de próxima generación puede mejorar las prácticas operativas, haciéndolas más seguras y rápidas. Todas las operaciones del día a día del equipo, ya sea la inspección visual, la documentación, la operación o el posicionamiento de un interruptor automático, se pueden realizar a través de estas operaciones digitales.

El Internet industrial de las cosas (IIoT) es el uso de datos de sensores de activos y máquinas conectados para mejorar y transformar productos industriales, operaciones de fabricación, procesos comerciales e incluso modelos comerciales. También llamado "Internet industrial" o Industria 4.0, IIoT utiliza el poder de los equipos inteligentes y el análisis en tiempo real para obtener valor de los datos que antes se ocultaban en las operaciones industriales. La filosofía detrás de IIoT es que las máquinas y los sistemas inteligentes son mejores que las personas para capturar y analizar datos en tiempo real y comunicar información importante que puede impulsar decisiones comerciales más efectivas.

Para agregar, administrar y obtener valor de los equipos inteligentes, IIoT requiere algún tipo de arquitectura que abstraiga equipos heterogéneos y permita que los datos y el análisis sirvan para múltiples casos de uso y aplicaciones, en lugar de solo uno. La mayoría de las arquitecturas IIoT tienen tres capas:

Además de la detección, la conectividad es una propiedad vital de los nuevos diseños de equipos. Los productos conectados permiten tanto la integración local como la agregación de datos de muchos dispositivos en una o varias instalaciones. Los datos agregados alimentan análisis que brindan valor en un nivel más amplio.

La capa "Edge" es realmente un espectro de hardware y software. En la mayoría de los casos, los datos de productos conectados se agregan y administran en el perímetro. En algunos casos donde la latencia es una consideración o donde el volumen de datos es demasiado alto para transportar (por ejemplo, transmisiones de video), los análisis y las aplicaciones se pueden realizar en un nodo de computación perimetral en lugar de en un centro de datos o en la nube.

La capa de aplicaciones y análisis brinda una escala de nivel de nube para almacenamiento de datos, análisis y otras aplicaciones a gran escala. Esta capa suele estar alojada en la nube y, si no es así, a menudo utiliza el mismo software y las mismas herramientas que la computación en la nube.

No todas las instalaciones eléctricas querrán o necesitarán todas estas aplicaciones y servicios de IIoT de alto nivel. Pero destaquemos algunos ejemplos de las formas en que una instalación habilitada para IIoT brinda beneficios y se complementa con estas soluciones.

Además de la detección e inteligencia integradas, los nuevos diseños pueden resultar en requisitos de espacio significativamente reducidos tanto para nuevas instalaciones como para reacondicionamientos. El ahorro de espacio con estos diseños puede ser hasta un 20-30 por ciento más pequeño en comparación con el tablero de distribución convencional.

Para las nuevas instalaciones, el espacio reducido para la infraestructura eléctrica significa que una mayor parte del espacio del edificio se puede dedicar a la misión en sí en lugar de a la infraestructura de apoyo. Para estructuras de costo muy alto (p. ej., instalaciones en alta mar), los costos de espacio pueden ser muy altos y los ahorros de espacio identificados durante la fase de diseño tienen un valor enorme porque reducen el tamaño total de la estructura. Los diseños de equipos de energía modulares (como los que se usan en E-houses para centros de datos) también se benefician de un tamaño más pequeño de aparamenta. Esto produce una huella de módulo E-house más pequeña, una estructura de soporte reducida y un transporte más fácil al sitio.

En las aplicaciones de reacondicionamiento, la instalación del nuevo equipo en el espacio existente es esencial para evitar el costo de capital y las molestias operativas de construir espacio de infraestructura adicional. Diseñar con equipos que ocupan menos espacio también puede "crear" espacio libre en habitaciones que ahora están llenas.

En ambos casos, los propietarios-operadores también se benefician de la mayor confiabilidad que puede brindar una infraestructura inteligente, especialmente una que puede indicar problemas potenciales durante el funcionamiento normal y, por lo tanto, dirigir los recursos de mantenimiento de manera proactiva al área de mayor necesidad.

El equipo inteligente es una innovación de diseño muy importante. Sin embargo, los diseños de equipos que funcionarán mucho más allá de lo esperado son otra clave tanto para la calidad como para la confiabilidad. Los requisitos ANSI ampliamente aceptados son que la aparamenta de media tensión se diseñe para 10.000 operaciones con carga cero. El último equipo moderno con monitoreo incorporado puede ir mucho más allá de este requisito y está diseñado para hasta 30 000 operaciones a plena carga nominal. Esto proporciona evidencia sólida de que el sistema electromecánico funcionará de manera confiable durante su vida útil. Los usuarios finales deben buscar pruebas de que el nuevo equipo se ha diseñado para ir más allá de los requisitos reglamentarios.

Dichos criterios de diseño pueden parecer poco realistas. Ninguna infraestructura eléctrica debería experimentar nunca cerca de este número de interrupciones, incluso durante una vida útil de varias décadas. Pero el hecho de que un diseño sea capaz de cumplir con un estándar más alto es evidencia de la robustez y calidad del diseño, y evidencia de que brindará un servicio superior durante las demandas menos rigurosas de la vida útil normal del equipo.

Dos productos recientes de Schneider Electric ilustran todas estas tendencias. Uno es EvoPacT, un disyuntor de vacío de voltaje medio con detección integrada importante. El segundo es SureSeT, una nueva línea de aparamenta de media tensión que amplía la detección y la conectividad de EvoPacT. Ambos son ejemplos de la nueva generación de dichos equipos, que incorporan mucha más detección y conectividad y brindan nuevos niveles de confiabilidad y valor para los propietarios-operadores.

EcoStruxure es la plataforma y la arquitectura IIoT interoperable de Schneider Electric que se extiende desde la industria hasta los centros de datos, la infraestructura, los edificios e incluso los hogares. EcoStruxure se divide en tres capas principales; 1) Productos conectados, 2) Edge Control, 3) Aplicaciones, análisis y servicios.

Los conmutadores EvoPacT y SureSet forman parte de la capa de productos conectados de EcoStruxure. Si bien esta capa agrega un valor significativo, los propietarios-operadores de activos también deben comprender cómo las capas superiores de la pila EcoStruxure Power pueden mejorar aún más el valor de los equipos inteligentes y cómo pueden transformar aún más las operaciones y el mantenimiento. Los productos y servicios EcoStruxure de nivel superior permiten una mayor mejora y transformación de la infraestructura eléctrica y de las operaciones críticas que soporta.

Lo que claramente es la tendencia para los equipos de infraestructura crítica es reemplazar los equipos "invisibles" con equipos más modernos que puedan medir y reportar su propia condición, y también poner la misma información a disposición de las aplicaciones analíticas que soportan mantenimiento predictivo, alta disponibilidad y otros tipos. de optimización.

La combinación de Schneider Electric del interruptor automático EvoPacT con detección automática en la línea SureSeT de aparamenta de media tensión, que a su vez se acopla con sus aplicaciones ExoStruxure Power, es un excelente ejemplo de cómo la visión de IIoT ahora se está extendiendo aún más a equipos críticos que antes no podían ser examinado mientras estaba en funcionamiento.

Los productos de software de nivel superior de Schneider Electric, como EcoStruxure Asset Advisor, son ejemplos de cómo aprovechar los datos del estado de los equipos y, a través de análisis y/o inteligencia artificial, brindar recomendaciones sobre el estado de los activos o incluso la eficiencia energética. El empleo de expertos en el dominio humano permite a los usuarios finales beneficiarse tanto del análisis como de la mejor experiencia humana en la detección de problemas. Esto los lleva hacia el mantenimiento predictivo.

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