Aplicación de IEEE 1584 en instalaciones de generación de energía

Dec 26, 2023

Un arco eléctrico es la energía explosiva liberada cuando una falla eléctrica provoca un arco. Esta rápida liberación de energía provoca temperaturas excesivas además de que el aire y el metal en el camino del arco se expanden y explotan, lo que genera escombros voladores, sonido, radiación ultravioleta y emisión de gases peligrosos.

Es importante que los administradores de las instalaciones de generación de energía, junto con el personal de operaciones y mantenimiento, entiendan cómo funcionan los sistemas de energía durante condiciones de fallas anormales para mejorar la seguridad del personal y la confiabilidad del sistema. También es particularmente crítico que las instalaciones de generación de energía nuclear comprendan el impacto potencial de estos eventos en los equipos relacionados con la seguridad.

1. Si es necesario trabajar en equipos energizados, los trabajadores deben vestirse de acuerdo con la seguridad y el código. La investigación más reciente, basada en pruebas rigurosas, se refleja en la guía IEEE 1584 actualizada. Cortesía: Eaton

¿Qué nivel de equipo de protección personal (PPE) se debe usar por seguridad? El trabajo justificado en equipos eléctricos energizados ocurrirá bajo varias circunstancias y los trabajadores eléctricos deben vestirse de acuerdo con la seguridad y el código (Figura 1). Necesitan orientación basada en los códigos y estándares relevantes, y datos en tiempo real para ayudarlos a realizar el mantenimiento necesario de manera segura.

Los eventos de arco eléctrico pueden causar grandes daños y tiempo de inactividad. En el caso de un evento de arco eléctrico, los gerentes de las instalaciones no pueden simplemente conducir hasta el gran minorista más cercano para adquirir un nuevo centro de control de motores, interruptores u otro equipo de distribución eléctrica. En cambio, podría llevar meses fabricar, enviar e instalar nuevos equipos. Mientras tanto, el tiempo de inactividad se traduce directamente en pérdida de producción y puede tener un impacto negativo en el resultado final.

Además, es importante comprender el impacto de los eventos de arco eléctrico en los equipos relacionados con la seguridad para las instalaciones de generación de energía, especialmente las instalaciones de energía nuclear. El desafío no es solo cuando el equipo relacionado con la seguridad experimenta un evento de arco eléctrico, sino también la proximidad y el daño prolongado al equipo relacionado con la seguridad, incluso en el caso de un evento en el equipo que no está relacionado con la seguridad. Cuando ocurre un evento de arco eléctrico, el área de impacto podría extenderse a otros equipos.

La industria eléctrica, especialmente los generadores de energía nuclear, se ve afectada por este tipo de eventos y está impulsando cambios en la forma en que se diseñan e instalan los equipos. Por ejemplo, un evento en la planta nuclear Browns Ferry en el condado de Limestone, Alabama, en marzo de 1975 cambió la forma en que se diseñan las instalaciones de energía nuclear.

Se produjo un gran incendio en un cable en la sala de distribución de cables en Browns Ferry, y más de 600 de los cables quemados contenían circuitos para el apagado seguro de uno o ambos de los dos reactores en funcionamiento. La pérdida de capital en este evento fue de $10 millones, más $200 millones para pagar la electricidad suplementaria de otras fuentes durante los 18 meses de inactividad, según la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) de EE. UU. y el APL (Laboratorio de Física Aplicada) de Johns Hopkins. Digerir.

Los eventos de arco eléctrico, como lo demuestra el incidente de Browns Ferry, son muy destructivos. Las lecciones aprendidas de los eventos del mundo real y la investigación han cambiado la industria de generación de energía de muchas maneras.

2. La "Guía IEEE para realizar cálculos de riesgo de arco eléctrico" IEEE 1584 es el documento más aceptado en el mundo para cuantificar la energía térmica incidente y el límite de arco eléctrico asociado con las fallas de arco. Esta es la portada del documento inicial publicado en 2002. Cortesía: IEEE

La información técnica más reciente sobre arco eléctrico, energía incidente y arco eléctrico de alta energía (HEAF) es importante para cualquier persona en una instalación de generación de energía, ya sea una aplicación de generación de energía alternativa, nuclear o de combustible fósil. Hay múltiples esfuerzos de investigación a nivel mundial sobre este tema, pero dos se destacan en particular. El primero es la investigación y el desarrollo del estándar IEEE 1584 titulado "Guía IEEE para realizar cálculos de riesgo de arco eléctrico" (Figura 2). La NRC está realizando el segundo. Los eventos recientes experimentados dentro de la industria nuclear están generando más investigación y discusión sobre este tema para comprender mejor los eventos HEAF.

La guía IEEE 1584 ha sido y continúa siendo el documento más ampliamente aceptado en el mundo para cuantificar la energía térmica incidente y el límite del arco eléctrico asociado con las fallas de arco. El documento está respaldado por más pruebas que cualquier otro estándar.

IEEE 1584 se lanzó inicialmente en 2002 y se basó en pruebas realizadas para generar ecuaciones que la industria utiliza para calcular la energía incidente. (La energía incidente se define como la cantidad de energía, a una distancia prescrita del equipo, generada durante un evento de arco eléctrico. Aumenta a medida que aumenta la magnitud de la corriente que fluye en la falla y el tiempo de despeje). La industria estaba ansiosa por envolver su aborde este tema de energía incidente para ayudar a todos los generadores de energía a comprender cómo prepararse para, o con suerte, mitigar y reducir el impacto de los eventos de energía incidente. Más recientemente, se realizaron más investigaciones y el año pasado se lanzó un nuevo IEEE 1584-2018.

La investigación más reciente se basa en casi 2000 pruebas adicionales y nuevamente mostró que el análisis de arco eléctrico aún no es una ciencia exacta. Estas nuevas fórmulas, basadas en condiciones de campo variables, se han desarrollado para establecer un modelo de cálculo mejorado. Las pruebas rigurosas dieron como resultado más variables, lo que significa que se requerirán más decisiones de personas calificadas que realicen estudios de arco eléctrico.

Un análisis de Eaton indica que las corrientes de arco están aumentando en magnitud al igual que los valores de energía incidente. Con el aumento de las corrientes de arco, existe una mayor probabilidad de que los tiempos de limpieza disminuyan, lo que da como resultado valores de energía incidente más bajos (Figura 3). Se podrían lograr tiempos de despeje más rápidos con corrientes de arco más altas porque las corrientes más altas tienen una mayor probabilidad de estar en la región instantánea de los interruptores automáticos o en la región de limitación de corriente de los fusibles.

3. Los sistemas activos de mitigación de arco eléctrico detectan arcos y eliminan fallas mucho más rápido que los enfoques tradicionales. Por ejemplo, los transformadores Arc-Reduction VFI (Vacuum Fault Interrupter) de Eaton, que se muestran aquí, integran inteligencia poderosa y detección secundaria para reducir drásticamente la energía incidente en los equipos aguas abajo, lo que mejora la seguridad cuando es necesario trabajar en equipos energizados. Cortesía: Eaton

Los valores más altos de energía incidente (calorías por centímetro cuadrado) se ven afectados por algunos puntos de datos clave, incluida la configuración de los electrodos y el tamaño del recinto dentro del cual ocurre el evento de arco. Las últimas investigaciones están ayudando a la industria a comprender mejor este fenómeno.

La importancia del tipo de equipo y configuración del trabajo del bus impacta la energía incidente. Por ejemplo, los dos parámetros críticos de la orientación del bus y el tamaño del gabinete podrían ser más difíciles de determinar en equipos más antiguos que en equipos más nuevos, pero hay herramientas disponibles para el éxito.

La industria está actuando rápidamente para responder. Las herramientas que se utilizan, incluidas las aplicaciones de software de modelado de sistemas, se han actualizado para implementar lo último que ofrece IEEE 1584. Los fabricantes también están trabajando para ayudar a la industria a comprender algunos de los parámetros clave asociados con los equipos que son importantes para determinar las corrientes de arco y la energía incidente.

El modelado mejorado para aplicaciones al aire libre (hasta 15 kV) es especialmente importante para las empresas de servicios públicos. IEEE 1584-2018 ahora ofrece un modelado mejorado para equipos de servicios públicos al aire libre mediante nuevas configuraciones de electrodos, como electrodos verticales al aire libre (VOA) y electrodos horizontales al aire libre (HOA). Estos representan mejor las condiciones de estas aplicaciones de mayor voltaje.

Pero es importante recordar que las plantas generadoras de servicios públicos tienen sistemas de distribución de energía similares a muchas otras instalaciones industriales y el resto de los detalles de IEEE 1584-2018 aún se aplican. Comprender la energía incidente en una instalación es importante para la seguridad y la confiabilidad. Las ecuaciones IEEE 1584-2018 proporcionan un método para analizar el sistema y determinar la energía incidente.

Los eventos de arco eléctrico en los EE. UU. y en todo el mundo han acelerado la investigación en torno a los eventos HEAF. Se han producido eventos HEAF en plantas de energía nuclear tanto de EE. UU. como extranjeras. La industria de servicios públicos nucleares se da cuenta de que los HEAF tienen el potencial de causar grandes daños a los equipos eléctricos, equipos adyacentes y cables. Esta importante liberación de energía puede actuar como una fuente de ignición de los combustibles cercanos, lo que puede provocar un incendio y podría afectar potencialmente el rendimiento de las estructuras, los sistemas y los componentes cercanos importantes para la seguridad.

El plan de prueba para los eventos HEAF cubrió una serie de pruebas de recintos a pequeña escala patrocinadas por la Oficina de Investigación Reguladora Nuclear (RES) de la NRC y realizadas en los Laboratorios Nacionales Sandia (SNL). El esfuerzo y las pruebas están bien documentados y están disponibles para una amplia audiencia. Los generadores de energía pueden aprender mucho de cualquier investigación realizada en esta área.

Con todos los datos y herramientas disponibles para la industria, la industria puede hacer un mejor trabajo de comprensión, planificación y diseño de sistemas para lo que se puede esperar si ocurre un evento. Las herramientas y la tecnología están disponibles para mitigar esos eventos a través de principios de diseño de sistemas que ayudan a eliminar el evento de la ecuación.

Las siguientes áreas son consideraciones críticas para reducir el daño asociado con la liberación de energía en un sistema de potencia:

■ Dispositivos de protección contra sobrecorriente limitadores de corriente. Las soluciones de fusibles y disyuntores reducen la energía cuando la corriente de arco está en la región de limitación de corriente del dispositivo.

■ Interruptor de mantenimiento de reducción de arco. La capacidad de encender un interruptor cuando se está realizando un trabajo energizado justificado, colocando la corriente de arco en la región de acción rápida del dispositivo de protección contra sobrecorriente.

■ Sistemas activos de mitigación de arco eléctrico. La nueva aparamenta de extinción de arco puede reducir drásticamente la energía incidente disponible y extinguir un arco más de 10 veces más rápido que los enfoques tradicionales, lo que permite que la aparamenta resista un evento de arco eléctrico con daños mínimos o nulos.

■ Equipo resistente al arco. Equipo que contiene y canaliza la energía en una dirección planificada en caso de que ocurra un evento en su interior.

■ Operación Remota. Ya sea a través de comunicaciones de red o mediante el uso de cordones umbilicales, abrir e incluso cerrar dispositivos de protección contra sobrecorriente de forma remota ayuda a ubicar al personal en áreas seguras.

■ Equipo aislado. El bus aislado dentro del equipo ayuda a reducir la probabilidad de un evento.

■ Barreras de equipos. Las barreras adicionales dentro del equipo para cubrir las partes energizadas expuestas pueden ayudar a reducir la probabilidad de un evento al reducir la probabilidad de contacto incidental.

4. Los disyuntores Power Defense equipados con la tecnología de interruptor de mantenimiento de reducción de arco eléctrico de Eaton ayudan a reducir la energía incidente cuando es necesario realizar un trabajo energizado. Power Xpert Dashboard Lite (PXDBL) de Eaton, que se muestra aquí, interactúa con tableros de distribución y conmutadores de bajo voltaje en una variedad de aplicaciones. Cortesía: Eaton

Existe tecnología (Figura 4) para reconocer que está ocurriendo un evento y reducir el tiempo de despeje para que el evento no produzca el daño históricamente asociado con la falla. A veces, la solución es tan simple como seleccionar un dispositivo de protección contra sobrecorriente estándar, de modo que el sistema se vuelva inherentemente limitador de corriente y, a veces, la solución es más compleja.

Comprender cómo funcionan los sistemas de energía durante una condición de falla, y los códigos y estándares relevantes, es crucial para mejorar la seguridad del personal y la confiabilidad del sistema. ■

—Thomas A. Domitrovich es ingeniero eléctrico dentro del negocio eléctrico de Eaton. Forma parte del Panel 2 de creación de códigos de la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) para el desarrollo continuo del Código Eléctrico Nacional (NFPA 70).

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