Calificación sísmica de celdas de media tensión

Respuesta corta

IEC TS 62271-210 califica las celdas de media tensión (de 1 kV a 52 kV, según IEC 62271-200 y -201) para uso en zonas sísmicas. Define dos niveles de severidad horizontal, con aceleración de período cero de 0,5 g y de 1 g, y dos clases de aceptación. La base es el ensayo de historia en el tiempo en mesa vibratoria; el análisis solo complementa, nunca sustituye al ensayo.

Respuesta corta

IEC TS 62271-210, edición 2013, es una especificación técnica (TS) que fija cómo calificar contra sismos las celdas de media tensión, es decir, las celdas bajo envolvente metálica (IEC 62271-200) y de aislamiento sólido (IEC 62271-201) de más de 1 kV y hasta 52 kV. Define dos niveles de severidad, dos clases de aceptación y los métodos de calificación. La calificación solo se hace si el usuario la solicita (apartado 1.1).

Qué cubre

Según el apartado 1.1, la norma aplica a celdas montadas sobre el suelo o el piso, que se usarán en condiciones sísmicas. La calificación incluye el equipo auxiliar y de mando montado directamente en la celda. Especifica niveles de severidad sísmica, niveles de aceptación y una opción de métodos para demostrar el desempeño.

Dos niveles de severidad

El apartado 4.3 explica por qué hay dos. En la zona sísmica 4 (riesgo de sismos muy fuertes), la aceleración pico del suelo medida es en muchos casos de unos 0,5 g, y en pocos casos ronda 1 g. Para no diseñar ni ensayar siempre al nivel más alto, se definen dos niveles:

Nivel	Aceleración de período cero (ZPA)	Se recomienda para
1	0,5 g	Aceleraciones pico de suelo o de piso hasta 0,5 g
2	1 g	Aceleraciones pico de suelo o de piso hasta 1,0 g

ZPA son las siglas en inglés de aceleración de período cero. En el espectro de cada nivel, la aceleración a frecuencias de 33 Hz o más es igual a la ZPA: 0,5 g en el nivel 1 y 1 g en el nivel 2. La norma define el espectro de respuesta requerido (RRS), de banda ancha, para cubrir muchas condiciones de sitio y la amplificación por la altura del piso. Hay curvas para 2 %, 5 % y 10 % de amortiguamiento; si no se conoce el amortiguamiento real, se recomienda 5 %.

La norma recomienda el nivel según el montaje y la zona:

nivel 1: equipos a nivel del suelo en zonas 0 a 4, o en pisos superiores con zonas 0 a 3;
nivel 2: solo equipos en pisos superiores con zona 4;
zona 0: no es necesaria ninguna calificación sísmica.

Si se conocen las condiciones del sitio, el usuario puede definir un espectro propio que envuelva la forma del nivel 1 o del 2. Una nota indica que el nivel 1 equivale al nivel de desempeño moderado de IEEE 693:2005, y el nivel 2 al de desempeño alto.

Dos clases de aceptación

El apartado 4.4 define qué se le exige a la celda:

Clase 1. El equipo mantiene su funcionalidad durante y después del sismo. Después puede hacer falta mantenimiento y reemplazo parcial para garantizar la operación a largo plazo.
Clase 2. El equipo mantiene su funcionalidad durante y después del sismo y después no requiere mantenimiento.

Calificación por ensayo

El apartado 4.1 establece que la base de la calificación es el ensayo, porque solo él permite verificar la funcionalidad durante y después del evento. El ensayo también aporta los datos para el modelo numérico. Estas son sus condiciones principales:

Muestra. Debe representar al conjunto: incluye los equipos de maniobra con su mecanismo y mando y sus interfaces, y los casos más desfavorables, con la mayor masa y el centro de gravedad más alto (apartado 4.2.1).
Montaje. Como en servicio, con amortiguadores si los hay. Si no se conocen las condiciones reales, se usa una base rígida entre el equipo y la mesa vibratoria (apartado 5.2).
Método. Ensayo de historia en el tiempo según IEC 60068-2-57, porque el comportamiento del equipo no es lineal. El espectro del ensayo debe envolver el espectro requerido.
Frecuencias. De 1 Hz a al menos 35 Hz. La primera frecuencia de resonancia en horizontal suele estar entre 5 Hz y 10 Hz (apartado 5.3.2).
Búsqueda de resonancias. Barridos senoidales a 0,1 g recomendado, en los tres ejes, con una velocidad máxima de 1 octava por minuto.
Duración. La historia en el tiempo dura al menos 30 s, con una parte fuerte de no menos de 20 s. Se recomienda ensayo triaxial.

La secuencia de ensayo es:

Secuencia del ensayo sísmico de una celda

Comprobaciones funcionales previas. Inspección, maniobras, tiempos, resistencia, tensión aplicada
Búsqueda de resonancias. Barrido senoidal en tres ejes
Ensayo de historia en el tiempo. Con las órdenes de mando energizadas
Nueva búsqueda de resonancias. Compara con la anterior
Comprobaciones funcionales posteriores. Se comparan con las previas

Antes y después del ensayo se hace una comprobación funcional (apartado 5.4.2). Registra la inspección visual, la operación de los equipos de maniobra, los tiempos de cierre y apertura rápidos y la operación de las partes extraíbles. Registra también la estanqueidad al gas o líquido si aplica, la resistencia del circuito principal y la tensión soportada a frecuencia industrial como verificación de condición.

Durante el ensayo, cada interruptor debe hacer al menos una secuencia de operación. La norma recomienda O – 5 s – C – 5 s – O hacia la mitad del ensayo, dentro de la parte fuerte del movimiento. Los equipos que no pueden operar durante el sismo se ensayan en posición cerrada sin operar. Se registra la continuidad eléctrica del circuito principal y de los circuitos auxiliares y de control.

Calificación por ensayo y análisis

El apartado 6.1 explica que el análisis solo no basta, porque la celda es un equipo complejo y su operabilidad no se verifica solo con técnicas de análisis. El análisis se usa para:

validar una celda ya ensayada en la misma configuración bajo otras condiciones sísmicas;
validar una celda similar a otra ensayada, con modificaciones que influyan en su comportamiento dinámico, como cambiar la disposición o la masa de componentes;
validar una celda que no se puede calificar solo por ensayo, por su tamaño o complejidad.

La metodología analiza por separado la parte estructural (armazón, apoyos y anclajes que transmiten las cargas sísmicas al piso) y la funcional (componentes que se pueden desmontar y ensayar como unidades independientes). También hay calificación por experiencia o similitud, con datos de equipos parecidos que ya pasaron ensayos (apartado 6.3).

Cómo se acepta el resultado

Para la clase 1 (apartado 7.2) se comprueba que:

no se afecten la rigidez dieléctrica, la capacidad de maniobra ni la capacidad de conducción, con la comparación de las comprobaciones funcionales antes y después, dentro de las tolerancias del fabricante;
sin operación mecánica durante el ensayo, los contactos principales permanezcan en su posición abierta o cerrada;
con operación mecánica, los contactos principales alcancen las posiciones previstas;
el rebote de relés no haga operar los equipos de maniobra.

La clase 2 exige todo lo anterior y además estos criterios:

las frecuencias de resonancia no cambian más de 20 %;
no hay grietas en partes principales;
hay deformaciones solo si no afectan la funcionalidad a largo plazo;
se mantiene el estado de los elementos de fijación;
las partes extraíbles operan correctamente;
los circuitos auxiliares no dan información errónea de posición ni alarmas.

Si hay análisis numérico, cada componente de material dúctil no puede superar el 100 % de su límite de fluencia en tensión equivalente de Von Mises (apartado 7.4).

Qué debe contener el informe

La documentación (capítulo 8) incluye el nivel de severidad, la clase de aceptación, los detalles de estructura y montaje y los ejes de ensayo. El informe de ensayo trae las frecuencias de resonancia y el amortiguamiento, la comparación entre el espectro requerido y el del ensayo para cada eje, las historias en el tiempo, las anomalías, los datos funcionales antes y después y las fotos del montaje.

Qué pedir al fabricante

El informe de calificación sísmica de la celda, con el nivel y la clase de aceptación.
La configuración ensayada y cómo se justifica que represente la que usted compra.
El método de anclaje y las condiciones de montaje con las que se ensayó.
La memoria de análisis si la calificación fue por ensayo y análisis, o por similitud.

Los ensayos de tipo de la aparamenta se resumen en ensayos de tipo de la aparamenta, y cuándo un cambio de diseño obliga a repetirlos, en vigencia de los ensayos de tipo en celdas. La celda se presenta en celdas de media tensión, y su carro en carro extraíble y enclavamientos.

Para ver cómo encaja con el resto de la serie IEC 62271, consulte las normas para pruebas a equipos primarios.

Cuándo llamarnos

En Tiza Group definimos con usted las condiciones de sitio y la especificación de sus celdas, y comprobamos en la puesta en servicio que cada unidad opere correctamente. Conozca nuestro servicio de ingeniería primaria y las pruebas FAT y SAT. Escríbanos y le cotizamos.

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Referencias

IEC TS 62271-210, Part 210: Seismic qualification for metal enclosed and solid-insulation enclosed switchgear and controlgear assemblies for rated voltages above 1 kV and up to and including 52 kV, edición 2013, apartados 1.1, 4 a 8 y Figuras 1 y 2.

Preguntas frecuentes

¿Qué nivel de severidad sísmica corresponde a una celda en planta baja?

El nivel 1, con aceleración de período cero de 0,5 g, se recomienda para equipos a nivel del suelo en zonas sísmicas 0 a 4, o en pisos superiores combinados con zonas 0 a 3. El nivel 2, de 1 g, se recomienda solo para pisos superiores combinados con la zona 4. En la zona 0 no hace falta ninguna calificación sísmica.

¿Se puede calificar una celda solo con cálculo?

No. La norma indica que el análisis solo no puede aplicarse, porque las celdas son equipos complejos y la funcionalidad no se verifica solo con técnicas de análisis. El análisis sirve para validar celdas ya ensayadas en la misma configuración, similares con modificaciones, o que no se pueden ensayar por tamaño o complejidad.

¿Qué diferencia hay entre la clase de aceptación 1 y la 2?

En ambas, el equipo mantiene su funcionalidad durante y después del sismo. En la clase 1 puede hacer falta mantenimiento y reemplazo parcial después del evento. En la clase 2 no se requiere mantenimiento. La clase 2 añade criterios como que las frecuencias de resonancia no cambien más de 20 % y que no haya grietas en partes principales.