04_SKF Mantenimiento Predictivo Eléctrico – Análisis Dinámico
Gestión del mantenimiento en el sector eléctrico - GCAR · los programas de mantenimiento deben...
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122 Ingeniería Eléctrica • Octubre 2011
Nota técnica
IntroducciónLas características operacio-
nales particulares de los sistemas
sléctricos de distribución (SED),
por ejemplo, varias topologías,
diferentes regiones geográficas,
diversos elementos de protec-
ción y maniobra, hacen que és-
tos presenten un alto riesgo en
la interrupción del suministro
de energía eléctrica. Además de
esto, el ambiente competitivo en
el cual se desempeñan actual-
mente las empresas distribuido-
ras impone a las mismas un en-
foque estratégico de las acciones
de mantenimiento, dado que as-
pectos técnico-económicos rela-
cionados a la calidad de servicio
señalan la necesidad de aplicar
estrategias de mantenimiento
capaces de extender la vida útil
de los elementos más críticos y
aumentar así la confiabilidad del
sistema eléctrico.
La eficiencia, flexibilidad y faci-
lidad de aplicación de las diferen-
tes técnicas de mantenimiento en
el sector eléctrico constituyen una
poderosa herramienta para mejo-
rar la confiabilidad de los SED. En
este sentido, la política, el plan y
los programas de mantenimiento
deben ser elaborados a partir de
los requerimientos particulares
del sector eléctrico y en función
de cada instalación en particular
[1]. Según se especifica en [2], es
recomendable utilizar una meto-
dología que permita enfocar los
recursos disponibles hacia aque-
llos sistemas con mayor índice de
fallas en un determinado período
de tiempo a través de un análisis
meramente estadístico y económi-
co, que considere además el esta-
do operacional de los componen-
tes (interruptores, reconectadores,
seccionadores, bancos de capaci-
tores, entre otros).
La clave para determinar el in-
tervalo de mantenimiento consis-
Gestión del mantenimiento en el sector eléctrico
Mario O. Oliveira1-3, José H. Reversat1, Arturo S. Bretas3, Leonardo U. Iurinic1-3, Victor H. Iurinic1-2
1 Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de Misiones (UNaM)2 Cooperativa Eléctrica Limitada de Oberá (CELO), Misiones, Argentina
3 Laboratorio de Sistemas Eléctricos de Potencia, LASEP, Universidade Federal do Rio Grande do Sul –UFRGS, Brasil.
Figura 1: Cruceta de madera en el fin de su “vida económica”
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te en encontrar el punto óptimo
que dé como resultado un mínimo
costo operativo y de mantenimien-
to para las redes de distribución,
manteniendo la confiabilidad del
sistema en niveles aceptables [2],
[3]. El mantenimiento representa
un alto porcentaje de la inversión y
del costo de operación de un SED,
y esto justifica los estudios nece-
sarios para determinar el tipo y la
frecuencia de mantenimiento a ser
utilizado en cada área del sector
eléctrico. Por ello, varias metodo-
logías relacionadas a la gestión del
mantenimiento en el sector eléc-
trico, especialmente en los SED,
fueron presentadas en los últimos
tiempos [3]-[6]. En este contexto,
este artículo presenta un estudio
de caso sobre el impacto que ejer-
ce el Mantenimiento Centrado en
Confiabilidad (Reliability Centered
Manteinance -RCM-) sobre los dife-
rentes elementos que conforman
un SED.
2 Mantenimiento y confiabilidad2.1 Fundamentos del manteni-
miento
El objetivo principal del man-
tenimiento es lograr la máxima
“vida económica” de un determi-
nado elemento, equipo o sistema.
El concepto de vida económica se
refiere al tiempo durante el cual
un determinado elemento es eco-
nómicamente útil, es decir, es más
barato operarlo que reemplazarlo.
Esto implica que, a través de técni-
cas de mantenimiento, el sistema
analizado presente el mayor gra-
do de confiabilidad, disponibili-
dad, seguridad y funcionalidad [2].
En el sector eléctrico, la vida
económica de los SED está fuerte-
mente relacionada al estado ope-
racional de los elementos que la
componen. Por ejemplo, la Figura
1 a muestra una cruceta de made-
ra cuyo estado operacional com-
promete el suministro de energía
eléctrica. En este caso, es más eco-
nómico reemplazarla mediante un
mantenimiento preventivo (pro-
gramado), que afrontar las multas
y los costos sociales originados
por una falla repentina en dicho
elemento.
Tradicionalmente, las estra-
tegias de mantenimiento utiliza-
das en el sector eléctrico se han
basado en el mantenimiento a
intervalos fijos. Sin embargo, esta
metodología es ineficiente debi-
do a los elevados costos asocia-
dos y al difícil control de la vida
útil de los componentes. Por esta
razón, nuevos métodos de man-
tenimiento fueron surgiendo en
el transcurso de los años con el
objetivo de encontrar el punto
óptimo entre los costos de man-
tenimiento y los costos necesarios
Figura 2: Desenganche de un aislador cerámico
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Nota técnica
para mantener un nivel aceptable
de confiabilidad en el sistema [3].
En líneas generales, los trabajos de
mantenimiento en líneas de distri-
bución de energía pueden ser di-
vididos en tres grupos [7]:
a) Identificación de los puntos
críticos: consiste en analizar, a
través del histórico de interrup-
ciones, cuáles son los circuitos
que presentan un mayor número
de fallas. A partir de este análisis,
se genera un informe de priori-
dades para efectuar las inspec-
ciones de campo. Dichas inspec-
ciones se realizan para detectar
anomalías como, por ejemplo, la
mostrada en la Figura 2, y regis-
trarlas en un informe.
b) Programación del mante-
nimiento: la programación del
mantenimiento del SED se realiza
anualmente, con base en la expe-
riencia de la empresa distribuidora
y analizando los informes de inte-
rrupciones e informes de inspec-
ción de campo. La programación
anual se subdivide en trimestres, y
posteriormente en programacio-
nes mensuales. Todos los servicios
de mantenimiento son descriptos
en esta programación, siguiendo
un cronograma predefinido. La
programación es la línea maestra
para las actividades en el transcur-
so del año, pudiendo sufrir altera-
ciones según lo encontrado en las
inspecciones o en los imprevistos
de emergencia como el mostrado
en la Figura 3.
c) Mantenimiento de redes de
distribución: existen varias ope-
raciones destinadas a su conser-
vación. Entre éstas, se destacan el
cambio de conductores, cambio
de aisladores, cambios de equipos
de protección (interruptores, para
rayos, fusibles), cambio de postes
y sustitución de piezas corroídas.
En el mantenimiento de aislado-
res y accesorios de conductores y
pararrayos, las tareas de manteni-
miento pueden efectuarse con la
línea desenergizada, Figura 4, o
con la línea energizada.
2.2 Mantenimiento centrado en
confiabilidad
El mantenimiento centrado en
confiabilidad (RCM) es un enfoque
sistemático para el planeamiento
del mantenimiento considerando
aspectos de confiabilidad. Aquí,
la condición operacional del ele-
mento se combina con la impor-
tancia del mismo en la operación
del SED. El RCM no es el único mé-
todo de mantenimiento, pero per-
mite comparar los métodos exis-
tentes para elegir el más rentable
sin comprometer la confiabilidad
del sistema eléctrico [3].
Al aplicar el RCM a nivel de
elementos, se busca definir cuáles
son los diferentes modos de fallas
y sus efectos, definiendo también
cómo las diferentes acciones de
mantenimiento pueden afectar
dichos mecanismos de falla. Un
proceso RCM generalmente inclu-
ye las siguientes etapas [3]:
- Listado de elementos críticos y
sus funciones
- Análisis de modo de falla y sus
efectos para cada elemento
elegido con determinación de
la historia de falla y cálculo del
tiempo medio entre fallas
Figura 3: Rotura inesperada de un poste de madera debido
a tempestades climáticas
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- Categorización de los efectos
producidos por las fallas y de-
terminación de las posibles ta-
reas de mantenimiento
- Realización de las tareas de
mantenimiento definidas
- Evaluación del programa de
mantenimiento incluyendo los
costos asociados
El RCM presenta varias venta-
jas en relación a otras técnicas de
mantenimiento. Algunos de los
beneficios del RCM son [8]:
- Reduce las principales accio-
nes correctivas
- Elimina las revisiones innecesa-
rias y las tareas rutinarias que
proveen pequeños beneficios
- Optimiza las frecuencias de las
revisiones
- Aumenta el uso de la tecnolo-
gía de predicción que ayuda
con la planificación de los re-
cursos
- Disminuye las tareas “intrusas”
que pueden provocar fallas en
los equipos
- Mejora la relación costo-efec-
tividad de las tareas de rutina
- Crea las bases técnicas necesa-
rias para documentar los pro-
gramas de mantenimiento
- Agiliza los procesos de comu-
nicación, conocimiento y tra-
bajo en equipo.
2.3 Distribución Weibull
y confiabilidad de sistemas
de distribución de energía
Una forma de calcular la con-
fiabilidad es a través de la función
Weibull, la cual permite atribuir
una función de distribución de
probabilidad a la variable alea-
toria de interés. Este método es
muy útil en aquellos sistemas que
pueden fallar según un número
infinito de maneras, caracterís-
tico de los SED [1], [7]. Es lógico
pensar que a medida que pasa el
tiempo, los componentes de los
equipos, los propios equipos y los
elementos que componen un sis-
tema tiendan a deteriorase, incre-
mentando así la probabilidad de
una falla. Por ello, es importante
conocer esta probabilidad, la cual
puede ser aproximada utilizando
la función mencionada [2].
Para determinar el interva-
lo óptimo de mantenimiento, se
acostumbra emplear la función
de densidad Weibull de tres pará-
metros, expresada de la siguiente
manera [2], [9]:
(1)
Por otro lado, la función acu-
mulativa de probabilidad de falla
F(t), viene dada por
(2)
La confiabilidad R(t) es la pro-
babilidad de que un determinado
componente desempeñe su fun-
ción sin fallas en un período de
tiempo previsto, y se define como
Figura 4: Trabajos de mantenimiento en línea desenergizada
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Nota técnica
(3)
La tasa de fallas λ(t) es la proba-
bilidad condicional de que una fa-
lla ocurra en el intervalo de tiempo
comprendido entre t y t + Δt, y se
expresa por
(4)
Sustituyendo (1) y (3) en (4),
tenemos
(5)
En la ecuación (5), β se define
como “parámetro de envejeci-
miento” y su efecto sobre la tasa
de falla es el siguiente:
- β< 1: indica mortalidad prema-
tura
- β = 1: indica fallas con distribu-
ción aleatoria
- β > 1: indica fallas por enveje-
cimiento
Por otro lado, θ es un pará-
metro de escala expresado en uni-
dades de tiempo que influye en
la media y en la desviación de la
función de distribución. Cuando θ
se incrementa, la confiabilidad R(t)
también lo hace, y la pendiente de
la tasa de falla decrece [2], [9].
3. Estudio de caso3.1 Sistema de distribución
analizado
Los SED en media tensión de
Argentina, por lo general operan
en forma radial, pudiendo un tra-
mo de la red, en algunos casos,
ser alimentado desde diferentes
puntos, maniobrando sobre ele-
mentos tales como seccionadores
Figura 5: Sistema eléctrico de distribución real utilizado en el análisis del RCM
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fusibles e interruptores. Estos sis-
temas de distribución operan en
13,2 kV y las líneas son coplanares
de tres hilos, siendo que en de-
terminados casos suele utilizarse
conductores preensamblados en
líneas urbanas troncales. Para el
caso de líneas rurales, las deriva-
ciones se realizan con líneas unifi-
lares de retorno por tierra en 7,62
kV. En relación a los elementos de
protección, podemos decir que
los fusibles operan únicamente
en caso de cortocircuitos, mien-
tras que los interruptores pueden
actuar tanto en casos de cortocir-
cuito como en situaciones de so-
brecarga en el sistema. Los reco-
nectadores, por su lado, actúan en
ambos casos de fallas incluyendo
el caso de grandes corrientes de
neutro. En la Figura 5 se represen-
ta el diagrama unifilar de un SED
en 13,2 kV utilizado como referen-
cia para el estudio de caso donde
cada elemento presenta una de-
terminada tasa de falla y un tiem-
po de reparación particular.
3.2 Determinación de elementos
críticos
El sistema de distribución mos-
trado en la Figura 5 está confor-
mado por varios elementos cuya
tasa de falla difiere uno de otro.
Con base en los registros históri-
cos, correspondientes a 14 años,
se calcularon dichas tasas de falla,
y se determinó el índice de impac-
to que posee cada elemento del
SED analizado. La Figura 6 mues-
tra un grafico de Paretto, en el cual
pueden observarse los elementos
considerados en el análisis y el ín-
dice de impacto asociado a cada
uno de ellos.
Podemos observar que el des-
cargador atmosférico es el ele-
mento más crítico, dado que tiene
el índice de impacto más elevado.
Sin embargo, los aisladores rígi-
dos y en cadena, tanto orgánicos
como de porcelana, también pre-
sentan un elevado índice de im-
pacto al igual que el reconectador.
Con base en este análisis, se deter-
minó que estos serán los elemen-
tos sometidos a RCM.
3.3 Resultados obtenidos
La Tabla 1 muestra la confiabi-
lidad del sistema eléctrico antes
y después de aplicar la filosofía
RCM, donde se observa una mejo-
ría en los índices de confiabilidad
de los elementos seleccionados.
La Figura 7 representa la fun-
ción confiabilidad R(t) del sistema
eléctrico para un horizonte de es-
tudio de 14 años. Se observa que,
pasados 6 años, la densidad de
probabilidad de falla sin reempla-
zo de componentes del SED, h(t),
comienza a disminuir, tal como lo
refleja el grafico de la Figura 8.
Esto significa que de no aplicar-
se una política de mantenimiento
adecuada, después de los 6 años
de operación la tasa de falla au-
Figura 6: Grafico de Paretto de los elementos que conforman el SED analizado
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Nota técnica
mentará rápidamente pudiendo
llevar al sistema a largos períodos
de inoperatividad. Esto se debe,
principalmente, a la disminución
del parámetro θ (vida característica
de los elementos), el cual fue consi-
derado para el cálculo de la tasa de
falla a través de la ecuación (5).
La Figura 9 muestra la función
acumulativa de probabilidad F(t),
y la Figura 10 representa el índice
de tasa de falla λ(t) del SED ana-
lizado. La falta de una adecuada
política de mantenimiento hace
que la tasa de fallas de los elemen-
tos del sistema eléctrico aumente,
llegando a ser muy alta a fines del
período estudiado (14 años).
4 ConclusionesCon base en los estudios reali-
zados, se determinó que el man-
tenimiento de SED es un proceso
importante, ya que cualquier inte-
rrupción en el suministro de ener-
gía resulta en costos económicos y
sociales elevados para las empre-
sas distribuidoras.
Tabla 1: Índices de confiabilidad antes y después del mantenimiento RCM
Figura 7: Función confiabilidad del sistema R(t)
Ingeniería Eléctrica • Octubre 2011 129
Mediante el RCM se pudo de-
terminar el impacto de las fallas de
cada elemento del sistema de dis-
tribución de energía, permitiendo
direccionar estratégicamente las
actividades del equipo de man-
tenimiento hacia los elementos
más críticos, dejando el manteni-
miento correctivo para aquellos
elementos cuya falla impacta en
menor grado al SED.
Finalmente, para que los tra-
bajos de mantenimiento sean efi-
caces, son necesarios el control,
el planeamiento y la distribución
correcta de la fuerza humana, lo-
grando que se reduzcan costos y
tiempos de interrupción.
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Figura 8: Función densidad de probabilidad del sistema h(t)
Figura 9: Función acumulativa de probabilidad de falla F(t)
Figura 10: Tasa de falla del sistema λ(t).
130 Ingeniería Eléctrica • Octubre 2011
Nota técnica
system considering preventive mainte-nance applications on circuit breakers, World Academy of Science, Engineering and Technology, pp. 741-745, 2009.[5] L. Bertling, R. Allan, R. Eriksson, “A Reliability-Centered Asset Maintenance Method for Assessing the Impact of Mainte-nance in Power Distribution Systems,” IEEE Transaction on Power Systems, vol. 20, no. 1, February 2005.[6] L. Bertling, R. Ericksson, R. N. Allan, “Impact of Maintenance on Cost and Reli-ability of Distribution Systems,” In 17th International Conference on Electricity Distribution, session 5, papers no. 1, pp. 1-6, Barcelona, May 2003.
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Mario Orlando Oliveira