BOLETÍN IIE
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Semblanza de las actividades de investigación de la División
de Sistemas Eléctricos
Semblanza de las actividades de investigación de la División de Sistemas Eléctricos
Las principales áreas de investigación de la División de Sistemas Eléctricos del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) tienen que ver con el diagnóstico de generadores, motores y transformadores, ahorro de energía eléctrica, diseño de subestaciones y líneas de transmisión, calidad de energía y protecciones. Lo anterior se engloba en tres ámbitos: equipos eléctricos, uso de energía, transmisión y distribución.
Equipos Eléctricos
En nuestro país existen más de quinientos generadores
eléctricos cuyo costo alcanza varias decenas de millones de dólares.
Casi el cincuenta por ciento de este equipo tiene al menos un par de décadas
operando, sin embargo todavía puede alcanzar altos niveles de eficiencia
si se rehabilita o moderniza. La rehabilitación cumple dos objetivos
principales: ampliar la vida útil con mejoras que no impliquen erogaciones
considerables y estar en una mejor posición ante los fabricantes
tanto durante la especificación y recepción de los productos
como durante los periodos de garantía.
Esta línea de investigación ofrece como principal beneficio contar con capacidad tecnológica para detectar de manera temprana los mecanismos de deterioro, evitar fallas catastróficas y programar adecuadamente la rehabilitación y reposición de las máquinas, lo cual se traduce en economía y calidad del servicio eléctrico.
Así, el trabajo que se lleva a cabo en el área de equipos eléctricos fundamentalmente tiene que ver con el diagnóstico en campo de máquinas eléctricas rotatorias, equipo eléctrico de subestaciones æcomo interruptores, transformadores de potencial y de corrienteæ y transformadores de potencia. A esta labor se le ha llamado diagnóstico integral de equipo eléctrico.
Cuando existen problemas serios se brinda asesoría
para resolver la falla o el defecto que tiene el equipo. Un ejemplo fue
el mantenimiento mayor, desde el punto de vista mecánico, eléctrico
y civil, de la central termoeléctrica Carlos Ramírez Ulloa,
el Caracol, ubicada en el estado de Guerrero. Los generadores de El Caracol
ætres en total, de 200 MW cada unoæ tenían problemas
de diseño que se corrigieron gracias a un programa de rehabilitación
que inició en 1996 y culminó en 1998. Los tres generadores
presentaban defectos similares, pero el más importante era el empaque
incorrecto de las bobinas del estator, que al estar indebidamente ajustadas
generaron problemas de descargas en la sección activa. El corazón
de esta innovación tecnológica se basa en el uso de la técnica
de medición de descargas parciales para determinar el estado de los
aislamientos de los devanados del estator. De esta forma es posible detectar
pequeños arqueos eléctricos que ocurren en el aislamiento
y lo deterioran gradualmente. Esta técnica se usa desde hace décadas,
pero su aplicación se había limitado a laboratorios especializados
y debidamente acondicionados, no se habían hecho en una central generadora.
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Trabajos de este tipo permiten dar un seguimiento completo al problema: diagnóstico, reparación, evaluación y nuevamente puesta en operación del equipo.
Asimismo, se buscan nuevas soluciones al diagnóstico de generadores eléctricos utilizando, por ejemplo, técnicas de inteligencia artificial. Tal es el caso del proyecto que se realiza para el Laboratorio de Pruebas de Equipos y Materiales (Lapem) de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), que tiene como fin desarrollar un sistema de diagnóstico de generadores eléctricos asistido por computadora. Este sistema integrará en una base de conocimiento la experiencia de los ingenieros del Lapem y del Instituto en el tema, lo que permitirá que la toma de decisiones sea más ágil y acertada, al presentar al analista casos similares y su solución. Por otra parte, el sistema contará con un sistema automático para generar informes. El sistema se finalizará en el año 2000.
Los diagnósticos se han venido haciendo principalmente con el equipo en línea. En este rubro se tienen cinco sistemas para diagnosticar transformadores de potencia: dos en la subestación Puebla II, dos en Temaxcal y uno en Malpaso. En el caso de generadores, se ha trabajado en la instalación de sensores en generadores de La Venta y en la terminal Coatzacoalcos. También se conocen las técnicas para detectar en línea el estado de motores de alta o baja capacidad.
En cuanto al mantenimiento de transformadores de potencia, el IIE desarrolló el Sistema de Mantenimiento de Transformadores de Potencia (Simatrap) para la Comisión Federal de Electricidad. Con el Simatrap, la CFE puede dar seguimiento al comportamiento de cada transformador de potencia y a partir del análisis, determinar programas de mantenimiento, comparar parámetros y límites de pruebas, y conocer el comportamiento de los transformadores agrupados por marca, tipo y aplicación. La terminal Dos Bocas de Petróleos Mexicanos (Pemex) en Tasbasco, ya cuenta con un software de administración del mantenimiento de este tipo.
Por otro lado, se imparte capacitación al cliente para transmitirle parte de la experiencia del Instituto y así contar con apoyo para atacar de manera global los problemas que se presenten, esto resulta muy útil en una refinería como la de Minatitlán, en donde se maneja del orden de 50 megawatts y en donde el equipo eléctrico está diseminado en un área de varios kilómetros.
Se trata de que el equipo que capacite el Instituto pueda resolver todos los problemas inmediatos hasta alcanzar un nivel de confiabilidad razonable. Ello evitaría una serie de trámites administrativos, técnicos y de movimiento de personal.
En otro rubro, también se apoya el desarrollo y la presentación de proyectos de norma, tal es el caso del proyecto de norma NOM-002-SEDE-1999 que se elaboró para la Secretaría de Energía. Esta norma versa sobre eficiencia energética y seguridad en transformadores de distribución. Fue publicada en el Diario Oficial de la Federación el 13 de julio de 1999.
El IIE tiene la capacidad de trabajar no sólo para la CFE o para Pemex, sino para toda empresa que use energía en grandes bloques æequipo eléctrico de potenciaæ, tal es el caso de Altos Hornos y de centros petroquímicos de la industria privada.
Uno de los retos en el área de equipos eléctricos es contar con las mejores técnicas que permitan definir con claridad el estado de un equipo para alcanzar un buen nivel de estabilidad de los sistemas eléctricos. Otro reto es ampliar el mercado de trabajo, el Instituto ya tiene presencia en prácticamente todos los países de Centroamérica, pero sería interesante incursionar en Estados Unidos de América, en un mercado del primer mundo.
Algunos de los principales resultados que se han obtenido en la Unidad de Equipos Eléctricos son los siguientes:
Uso de energía
El consumo de energía por rama de actividad económica
en México es muy alto si se compara con otros países. Varias
naciones han incrementado su Producto Interno Bruto con el mismo nivel de
consumo energético y en México, desde hace poco más
de un lustro comenzó a crearse una amplia conciencia sobre la necesidad
del uso eficiente y la conservación del patrimonio que representan
los energéticos primarios.
En nuestro país se espera que para el año 2000 se tenga un total de 8 051 GWh de ahorro de energía, esto representan un 7.3% de la energía que se consumió en 1994.
De acuerdo con esta perspectiva, en el Instituto se brinda el apoyo tecnológico necesario para reducir el consumo y la demanda de energía eléctrica, al tiempo que se conserva el ambiente y se liberan recursos del sector para aplicarlos en medidas de eficiencia energética.
Así, se analiza el uso de la energía eléctrica en distintos ámbitos: residencial, comercial, industrial, en forma particular, como un sistema eléctrico de la red de distribución de una ciudad o de una región y, de manera más general, del país. Se observa el efecto que se tiene desde la generación de la energía hasta la manera de utilizarla, con ello se pueden implementar medidas, por parte de los usuarios finales, que impacten de manera importante en el uso de los energéticos primarios. Un ejemplo concreto es la implementación del horario de verano en México, que permite modificar la curva de demanda con sólo mover una hora los relojes, lo cual abate el pico de la demanda en un cinco por ciento y reduce el consumo de energía eléctrica. Esta acción provoca además que la demanda de energía se incremente en la mañana, en las horas conocidas como valle, cuando el costo por kilowatt hora significa un 40% del costo del kilowatt en las horas pico. Por otro lado, se reduce el consumo de combustibles para generar energía æcombustibles fósiles, gas y carbónæ y se ahorran, por tanto, unos dos millones de barriles de petróleo. El no quemar este combustóleo evita que se emitan a la atmósfera aproximadamente seis millones de toneladas de contaminantes, principalmente bióxido de carbono, CO2, que es el causante del llamado efecto invernadero.
Desde principios de la década de los noventa se han realizado una serie de proyectos que modifican la manera de utilizar la energía eléctrica con impacto en distintos niveles; se evalúa cuánto cuesta implementar la medida y qué beneficios se obtendrán, esto es, se tiene un análisis de costo-beneficio. Así, el trabajo en uso de energía fundamentalmente busca modificar la curva de demanda de energía eléctrica, encontrando formas de uso que repercutan en beneficio de los usuarios, de las empresas eléctricas y del país, a esto se le llama administración del lado de la demanda.
Para lograr lo anterior, en los últimos años se ha desarrollado en el IIE la infraestructura necesaria para la construcción de software que lleve a cabo el análisis energético a diversos tipos de usuarios en distintas condiciones.
En otro rubro, el Instituto ha laborado con Pemex en proyectos relacionados con el uso de energía en 115 instalaciones de la Región Sur para reducir consumos y abatir demandas máximas. Las deficiencias energéticas generalmente se deben a cuatro barreras: tecnológicas, normativas, educativas o financieras, lo que se hace es detectar dónde nace la falla y combatirla. Un ejemplo en los sistemas de alumbrado es cambiar las lámparas (focos) incandescentes por lámparas fluorescentes compactas. Este cambio produce ahorro de energía que puede alcanzar hasta un 50% y proporciona mayor confort al no emitir calor al ambiente; las lámparas fluorescentes son frías si se comparan con los focos comunes; así, en lugares donde se usa aire acondicionado, éste trabaja menos al disminuir la carga eléctrica.
El mismo tipo de análisis que se realiza en iluminación se lleva a cabo en equipos de aire acondicionado, motores, compresores y demás equipo eléctrico.
El Instituto utiliza diseños existentes en el mercado, pero los adecua a sus necesidades y elabora el análisis, el diagnóstico y las estrategias para poder obtener los resultados que requieren sus clientes.
Toda la experiencia que ha acumulado a lo largo de diez años la está vaciando en un sistema computarizado al que podrán tener acceso consultores y gerentes de la administración de la energía de grandes empresas para que ellos mismos puedan hacer evaluaciones. Esta metodología se aplica continuamente en sistemas de alumbrado público, en instalaciones industriales, en edificios y en casas habitación.
Paralelamente se elaboran normas de eficiencia energética, como para la Comisión Nacional de Ahorro de Energía (Conae). Estas normas regularmente adquieren un carácter oficial de observación obligatoria. Un ejemplo puede ser el siguiente: en 1996 se aplicó una norma que elaboró el IIE sobre ahorro de energía para refrigeradores, esto promovió que los refrigeradores eléctricos que se venden actualmente en el mercado consuman 40% menos de la energía que utilizaban sus similares en 1995 o modelos anteriores.
También se elaboraron las versiones finales de los proyectos de norma de eficiencia energética para edificios no residenciales y para edificios residenciales que tengan hasta tres pisos. En estos proyectos de norma se contempla la revisión de las temperaturas equivalentes en ciertas ciudades utilizando normales (promedios) climatológicos, la justificación del tamaño de las ventanas en el edificio de referencia, factores de corrección utilizando el modelado dinámico por el uso de aleros, volado, ventanas remetidas y partesoles, así como un nuevo procedimiento de cumplimiento de la norma llamado Presupuesto Energético.
En 1998 se desarrolló para el Fideicomiso para el Aislamiento Térmico de la Vivienda en Mexicali (Fipaterm) un sistema computarizado capaz de efectuar diagnósticos energéticos para usuarios domésticos que participan en algunos de sus programas de ahorro y uso eficiente de energía (aislamiento de vivienda, sustitución de equipos de aire acondicionado, reducción de infiltración, uso de lámparas ahorradoras). La Comisión Federal de Electricidad, a través del Fide y del PAESE, contrató al Instituto para realizar estudios de evaluación de ahorro de energía en las casas habitación de la ciudad de Mexicali, Baja California. Los habitantes de Mexicali consumen diez veces más de energía æsobre todo de aire acondicionadoæ que la que utilizan los habitantes del centro del país, y ello representa un desembolso considerable. Hace diez años que funciona el programa de ahorro de energía promovido por la CFE y actualmente cerca de ochenta mil casas han participado en el proyecto que primero consistió en aislar los techos de sus viviendas. Actualmente se moderniza el equipo de aire acondicionado y se trabaja en el aislamiento de muros y ventanas, así como en el sellado de rendijas en las puertas y cambio de lámparas. Todo esto va en paquete y a precios accesibles.
Gracias a una herramienta desarrollada por el Instituto, la CFE puede hacer un diagnóstico de cada casa y qué requiere para lograr ahorros de energía, incluyendo costos. Se sigue trabajando en el sistema, para que además de determinar cuál sería el ahorro del usuario final, se conozcan los beneficios para la CFE.
Por otro lado, se han efectuado estudios de ahorro de energía, cortocircuito, coordinación de protecciones y evaluación de sistemas de tierras en instalaciones de Pemex, Exploración y Producción (PEP), los cuales permiten cuantificar ahorros de energía o asegurar la continuidad en el sistema eléctrico. Un ejemplo lo constituyen los estudios de cortocircuito, coordinación de protecciones, evaluación del sistema de tierras y diseño de equipo de medición para el Centro Técnico Administrativo Tabasco 2000. Gracias a los estudios realizados, el personal técnico de dicho Centro dispondrá de un sistema que permita asegurar la continuidad y confiabilidad en el suministro de energía eléctrica y que cuenta con especificaciones de un sistema de medición para conocer los parámetros eléctricos en tiempo real.
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En relación con el ámbito industrial, se tiene
la capacidad de ofrecer a la industria la evaluación para sustituir
las tecnologías con procesos térmicos por tecnologías
con procesos eléctricos o electrotecnologías. Con las electrotecnologías
se tiene una aplicación más intensa de energía, se
ahorra tiempo, el control del proceso es más preciso y, por tanto,
aumenta la calidad del producto. En el Instituto se hace el diagnóstico
para determinar cuáles procesos conviene que cambie una empresa.
Además del ahorro energético existe otro beneficio, sobre
todo para empresas situadas en áreas densamente pobladas como en
México, Monterrey y Guadalajara, pues al sustituir, por ejemplo,
el proceso térmico por el eléctrico, se eliminan emisiones
a la atmósfera, lo cual permite que los empresarios cumplan con normatividades
que marca la ley.
Algunos de los procesos susceptibles de llevarse a cabo con electrotecnologías son la cocción de alimentos, tratamiento térmico en metales, purificación de agua, fusión de metales, hornos de fundición eléctricos y secado de pinturas, entre otros muchos.
También se trabaja fuera de nuestras fronteras en distintos proyectos, como en Colombia, donde se desarrollaron 16 proyectos de normas de eficiencia de equipos eléctricos, electrodomésticos, la mayor parte.
Algunos de los principales logros en el ámbito de uso de energía son los siguientes:
Transmisión y distribución
Hace algunas décadas, la calidad de la energía
no era preocupante, pues no tenía efectos adversos significativos
sobre la operación de los equipos conectados a la red de distribución.
En general, era suficiente con especificar el voltaje y la frecuencia de
operación de los equipos, sin embargo, con la aparición de
la microelectrónica que se ha incorporado en electrodomésticos,
equipo de automatización de oficina y control en plantas industriales,
los dispositivos se han vuelto altamente sensibles a fenómenos perturbadores
en el suministro de la energía. Lo anterior está obligando
a las empresas suministradoras de energía eléctrica a analizar
detenidamente el problema y redefinir la confiabilidad del servicio.
Ahora las empresas eléctricas deben dar importancia al punto de vista de los usuarios, quienes califican la calidad del energético de acuerdo con la operación correcta de sus equipos y con la eficiencia del trabajo para el que fueron adquiridos.
No es que hoy la calidad del suministro de la energía eléctrica sea menor que hace años. En general se puede afirmar que actualmente la calidad es mayor, pero es un hecho que la tradicional gama de alteraciones comunes (depresiones de voltaje, sobretensiones, bajo y alto voltaje o distorsión armónica) tiene una mayor injerencia en el desempeño de los equipos electrónicos. Los trabajos del Instituto en este campo buscan identificar soluciones eficaces a los problemas comunes que se están presentando en el ámbito industrial y comercial, además de preveer la determinación de recomendaciones que permitan, con base en la normatividad existente, considerar las adecuaciones que deben efectuarse en las redes eléctricas de los usuarios, en las especificaciones de los equipos y en la modernización de las redes de suministro para lograr a mediano plazo una armonía o compatibilidad entre estos tres factores involucrados.
Otra línea de investigación se enfoca hacia los dispositivos de electrónica de potencia que permiten incrementar la transferencia de potencia a través de las redes de transmisión (conocido como FACTS, por sus siglas en inglés). Los dispositivos que se instalan en subestaciones terminales o intermedias posibilitan un uso más eficiente de las redes actuales, permitiendo incrementos en la transferencia de potencia real entre un 30 a 40% de manera segura. Estos dispositivos de eléctronica de potencia no son un sustituto de los esquemas convencionales de generación/transmisión, pero pueden resultar de gran ayuda para mejorar la eficiencia de redes en operación o cuando ocurren situaciones de emergencia en donde los incrementos de demanda en determinada región obligan a transferencias de emergencias para complementar la energía de centrales o redes que sufren posposición en su inicio de operación comercial.
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El IIE, en colaboración con la Coordinación de Proyectos de Transmisión y Transformación de la CFE, implantó un procedimiento asistido por computadora para la selección y ubicación de estructuras de líneas. La contribución principal en la implantación de la metodología se centró en el desarrollo de la programación de apoyo necesaria para dar de alta el perfil topográfico de la trayectoria de la línea bajo diseño y la información específica de estructuras, conductores y accesorios utilizados en los diseños normalizados de la CFE. Se desarrolló conjuntamente con el Lapem la ingeniería básica (selección de conductores y coordinación de aislamiento) de una línea de transmisión de 765 kV. El diseño de este tipo de líneas requiere utilizar capacidades de análisis y de prueba disponibles, pero hasta ahora poco aprovechadas.
Con base en las herramientas de confiabilidad desarrolladas
en el IIE y basadas en técnicas de investigación de operaciones,
por solicitud de Luz y Fuerza del Centro se determinaron los índices
de confiabilidad para los diferentes arreglos de sus subestaciones. Como
parte de este trabajo se establecieron recomendaciones para realizar adecuaciones
en la configuración de la red de distribución, considerando
los tiempos promedio de reparación, así como la energía
que se deja de suministrar en caso de falla de los componentes de las subestaciones.
En contraste con las técnicas tradicionales, las herramientas de
confiabilidad desarrolladas en el Instituto permiten la evaluación
rápida de índices de redes complejas. En el futuro se iniciará
la aplicación de estas técnicas a redes eléctricas
industriales.
En 1994, el IIE desarrolló el concepto del Sistema de Administración de la Distribución y se definieron los alcances de una Base de Datos Maestra Corporativa para el almacenamiento de la información necesaria para el desarrollo de las funciones de ingeniería, de comercialización y de gestión de una empresa de distribución. Para las funciones de ingeniería se desarrollaron los conceptos de expansión de las redes y el análisis de operación. Con base en este marco de referencia se inició la aplicación del módulo de expansión de redes de distribución desarrollado por el Instituto y por Luz y Fuerza del Centro. A la fecha se ha realizado el análisis de varios escenarios para definir los planes de expansión de la zona Polanco y de la ciudad de Toluca, y en el mediano plazo se prevé la aplicación de esta herramienta a otras áreas de servicio de Luz y Fuerza del Centro, complementadas con una herramienta comercial para el análisis de la operación de la red.
Durante los últimos tres años se ha trabajado conjuntamente con Pemex Exploración y Producción en la implantación del sistema de extracción de hidrocarburos conocido como "bombeo electrocentrífugo". Este sistema requiere de una red de suministro especial debido a que la carga que alimenta es cien por ciento no lineal. Se revisaron las necesidades de la red y se establecieron especificaciones particulares, derivadas de la carga no lineal que alimentan para cada uno de los equipos que integran el sistema de generación y de distribución.
Por otro lado, desde 1977 se trabaja en la caracterización de las tormentas eléctricas y su impacto sobre las redes de transmisión y distribución de energía eléctrica. Algunos de los principales resultados son los siguientes:
Bibliografía
Capacidad tecnológica, Instituto de Investigaciones Eléctricas, Temixco, 1996, 16 páginas.
Informe Anual 1998, Instituto de Investigaciones Eléctricas, Temixco, 1999, 48 páginas.
"Rehabilitación de generadores eléctricos", en Boletín IIE, vol. 21, núm. 5, septiembre-octubre de 1997, Instituto de Investigaciones Eléctricas, Temixco, 1997, pp. 207-211.
"Actividades de investigación en el uso de la energía eléctrica", en Boletín IIE, vol. 22, núm. 6, noviembre-diciembre de 1998, Instituto de Investigaciones Eléctricas, Temixco, 1998, pp. 247-257.
Redacción de Helena Rivas López del Departamento de Difusión. Información y asesoramiento técnico: doctor Edgar Robles Pimentel, gerente de Equipos Eléctricos, ingeniero Rogelio Covarrubias Ramos, gerente de Uso de la Energía, y doctor Raúl Velázquez Sánchez, gerente de Transmisión y Distribución.
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