Las subestaciones usan tres tecnologías de batería estacionaria: plomo-ácido ventilada, plomo-ácido regulada por válvula (VRLA) y níquel-cadmio. Difieren en tensión por celda, sensibilidad a la temperatura, vida útil, mantenimiento y forma de evaluar su estado, y la elección define la ventilación, el cargador y el plan de pruebas.
Qué son y dónde están
La batería estacionaria es la reserva de energía del sistema de corriente continua de subestación. Está formada por celdas o monobloques conectados en serie hasta la tensión del sistema, sobre bastidores, en un cuarto o gabinete propio. Trabaja casi siempre en flotación: conectada en paralelo con el cargador y las cargas, a una tensión que compensa su autodescarga, lista para entregar energía en cuanto falle la corriente alterna.
La guía del banco de baterías y cargador presenta el sistema completo; aquí comparamos las tres tecnologías que se encuentran en subestaciones.
Partes y cómo funciona cada tecnología
Plomo-ácido ventilada (inundada). Placas de plomo en ácido sulfúrico diluido, en recipientes con tapón que deja salir los gases. La tensión nominal es 2 V por celda. Un fabricante de celdas tubulares OPzS recomienda una flotación de 2,23 V por celda a 20 °C, una igualación de 2,33 a 2,40 V por celda por tiempo limitado y una densidad nominal de 1,240 kg/l a 20 °C. En esta tecnología la densidad del electrolito sí sigue el estado de carga, por eso se mide en el mantenimiento. Pierde agua y hay que reponerla.
Plomo-ácido regulada por válvula (VRLA). Misma química, pero con el electrolito inmovilizado en gel o en separadores absorbentes. El oxígeno que se forma en la placa positiva pasa a la negativa y se recombina en agua, por eso no se repone agua durante su vida. Una válvula alivia la presión si hay sobrecarga. Un fabricante de VRLA tubular en gel recomienda 2,25 V por celda a 20 °C. No se puede medir la densidad ni ver el interior, así que su estado se sigue con mediciones óhmicas y pruebas de capacidad.
Níquel-cadmio (Ni-Cd). Placas de níquel y cadmio en hidróxido de potasio. La tensión nominal es 1,2 V por celda, de modo que un banco necesita más celdas que uno de plomo-ácido para la misma tensión. Un fabricante recomienda una flotación de 1,40 a 1,42 V por celda según el tipo de celda. Tolera mejor la temperatura alta y baja y las descargas profundas, y su electrolito no cambia de densidad con el estado de carga.
| Aspecto | Plomo-ácido ventilada | Plomo-ácido VRLA | Níquel-cadmio |
|---|---|---|---|
| Electrolito | Ácido sulfúrico diluido | El mismo, inmovilizado en gel o en separadores absorbentes | Hidróxido de potasio |
| Tensión nominal por celda | 2 V | 2 V | 1,2 V |
| Flotación (según un fabricante) | 2,23 V a 20 °C | 2,25 V a 20 °C (tubular en gel) | 1,40 a 1,42 V según el tipo de celda |
| Densidad y estado de carga | La densidad sigue el estado de carga y se mide | No se puede medir | No cambia con el estado de carga |
| Reposición de agua | Sí | No | Sí |
Temperatura y vida útil
La temperatura es el factor que más acorta la vida de una batería. Un fabricante de níquel-cadmio resume que por cada 9 °C por encima de 25 °C la vida se reduce un 20 % en níquel-cadmio y un 50 % en plomo-ácido. Un fabricante de VRLA indica que un aumento de 10 °C sobre 20 °C reduce la vida a la mitad. Por eso los cuartos de baterías en zonas cálidas necesitan aire acondicionado, y el cargador puede compensar la tensión de flotación con la temperatura cuando el fabricante lo pide.
La temperatura también cambia la capacidad disponible: con frío, la batería entrega menos. Los métodos de dimensionamiento de IEEE 485 (plomo-ácido) e IEEE 1115 (níquel-cadmio) incluyen esa corrección.
Cómo cambia según el nivel de tensión
- Subestaciones compactas de media tensión: son habituales los monobloques VRLA en gabinete, por espacio y porque no requieren reposición de agua.
- Alta y extra alta tensión: plomo-ácido ventilada o níquel-cadmio en cuarto propio, con dos bancos en extra alta tensión. Un operador de transmisión europeo, por ejemplo, especifica bancos de níquel-cadmio ventilados de 220 V para sus subestaciones de 400 kV.
- Plantas solares e industria: VRLA o níquel-cadmio según el clima y el mantenimiento disponible; en sitios calurosos y remotos el níquel-cadmio es una opción frecuente, porque los fabricantes lo especifican para temperaturas extremas y descargas profundas.
Criterios de selección y datos típicos
- Número de celdas: sale de la tensión máxima que aceptan los equipos durante la igualación y de la mínima a la que deben seguir funcionando al final de la descarga.
- Capacidad: del ciclo de trabajo, con correcciones por temperatura, envejecimiento y margen (IEEE 485 o IEEE 1115).
- Tensión final de descarga: depende del tiempo de descarga y del fabricante.
- Corriente de cortocircuito: la publica el fabricante y define la capacidad de interrupción del tablero.
- Ventilación: todas generan hidrógeno y oxígeno al final de la carga o en sobrecarga. Los fabricantes remiten a IEC 62485-2 para calcular la ventilación del cuarto.
Conexión con protección, control y alarmas
La batería se conecta al tablero de distribución a través de un interruptor o fusibles de batería, con supervisión de su posición. Las alarmas útiles son batería en descarga, interruptor de batería abierto, temperatura alta del cuarto y, cuando hay monitoreo de celdas, tensión o resistencia interna fuera de rango. Llegan al controlador de bahía o a la RTU junto con las del cargador.
Fallas y qué revisar primero
- Capacidad baja en la prueba: envejecimiento, temperatura alta sostenida o flotación mal ajustada.
- Celdas con tensión baja en flotación: cortocircuito interno o sulfatación; compare con la tendencia.
- VRLA hinchada o caliente: secado o embalamiento térmico por temperatura o tensión excesivas.
- Conexiones calientes: torque o corrosión; mida la resistencia de conexión.
- Consumo de agua alto (ventiladas y Ni-Cd): flotación alta.
Pruebas y mantenimiento
Cada tecnología tiene su práctica recomendada: IEEE 450 para plomo-ácido ventilada, IEEE 1188 para VRLA e IEEE 1106 para níquel-cadmio ventilada. Todas combinan inspección, tensión de flotación total y por celda, temperatura, resistencia de conexiones y prueba de capacidad; las ventiladas de plomo-ácido suman la densidad, y las VRLA dependen más de las mediciones óhmicas. Los criterios están en la guía de mantenimiento y pruebas de bancos de baterías, y el ajuste del cargador en el artículo del cargador-rectificador de baterías.
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Referencias
- IEEE 450, mantenimiento, pruebas y reemplazo de baterías de plomo-ácido ventiladas.
- IEEE 1188, mantenimiento, pruebas y reemplazo de baterías VRLA.
- IEEE 1106, instalación, mantenimiento, pruebas y reemplazo de baterías de níquel-cadmio ventiladas.
- IEEE 485 e IEEE 1115, dimensionamiento de baterías de plomo-ácido y níquel-cadmio.
- IEC 60896-11, baterías estacionarias de plomo-ácido ventiladas; IEC 60896-21 y -22, tipos regulados por válvula.
- IEC 62485-2, requisitos de seguridad de baterías estacionarias e instalaciones.
- Manuales técnicos de fabricantes de baterías estacionarias de plomo-ácido y níquel-cadmio.
Preguntas frecuentes
¿Cuántas celdas tiene un banco de 125 V?
Depende de la tecnología y de la ventana de tensión que aceptan los equipos. Se calcula dividiendo la tensión máxima admisible en la carga entre la tensión de carga por celda, y comprobando que la tensión final de descarga por celda no deje la barra por debajo del mínimo de los equipos.
¿Por qué en una batería de níquel-cadmio no sirve medir la densidad?
Porque el electrolito, hidróxido de potasio, casi no cambia de concentración entre carga y descarga. Según el fabricante, su densidad solo varía con el nivel de electrolito y al reponer agua, no con el estado de carga.
¿Cuánto afecta la temperatura a la vida de una batería?
Mucho. Un fabricante de níquel-cadmio estima que por cada 9 °C sobre 25 °C la vida se reduce un 20 % en níquel-cadmio y un 50 % en plomo-ácido. Un fabricante de VRLA indica que 10 °C por encima de 20 °C reducen la vida a la mitad.