Diseño, mantenimiento y prueba de baterías en instalaciones de misión crítica

Inspección

El mantenimiento de las baterías en las instalaciones de misión crítica es de especial importancia. Si se mantienen con regularidad, las baterías funcionarán de acuerdo con su diseño para soportar los sistemas críticos, lo que garantiza la continuidad de la energía. El mantenimiento de las baterías también extiende su vida útil, lo que se traduce en menores costos de operación. Pero el primer paso del mantenimiento es la inspección. Mediante la inspección primero y la evaluación después, podemos desarrollar un plan de reparación.

Veamos cada tipo de batería por separado. El IEEE desarrolló normas independientes precisamente por este motivo.

Plomo-ácido ventilado: la inspección más rutinaria para este tipo de baterías es una inspección visual. El IEEE desarrolló una norma, la 450-2010, Prácticas recomendadas por el IEEE para el mantenimiento, las pruebas y la sustitución de las baterías de plomo-ácido ventiladas para aplicaciones estacionarias. Esta norma es una muy buena guía para que el personal de operaciones cree un procedimiento de mantenimiento.

La inspección mensual, como se recomienda en la norma IEEE 450-2010, incluye lo siguiente:

Una inspección visual de lo siguiente:

• el estado general de la zona. La zona (sala) debe estar lo más limpia posible para que la suciedad o el polvo excesivo no cubran las celdas de la batería. Los equipos sucios son más difíciles de evaluar durante una inspección solo visual.
• Las celdas de la batería en busca de rajaduras. Este paso es importante porque una rajadura en el revestimiento exterior de la celda podría permitir la fuga del electrolito y la descarga de la batería.
• Los niveles de electrolitos. Una caída significativa del nivel de electrolito supone que la densidad del electrolito aumentó. Una densidad mayor repercutiría en la vida útil de la batería.
• los terminales de la batería, en busca de corrosión La corrosión en los terminales de la batería aumentará la resistencia de la conexión y, así, disminuirá la cantidad de corriente suministrada por el sistema de la batería.

Medición de lo siguiente:

• El voltaje de flotación en los terminales de la batería. Si el sistema de baterías funciona con un voltaje de flotación fuera del rango recomendado por el fabricante, la esperanza de vida de la batería se vería afectada de forma negativa.
• Temperatura y ventilación de la sala o zona. La temperatura es importante porque influye en la esperanza de vida útil de la batería. La ventilación es importante porque el movimiento adecuado del aire mitiga las altas concentraciones de hidrógeno, que es un subproducto de los procesos químicos de las celdas de la batería. Las altas concentraciones de hidrógeno en el aire aumentan de forma significativa el riesgo de explosiones.

La recomendación de IEEE 450-2010 de realizar una inspección visual mensual es solo una recomendación general para cualquier tipo de instalación. Según la NFPA 110, se exigen inspecciones visuales semanales de los sistemas de baterías empleados en sistemas de emergencia y de reserva.

La inspección trimestral recomendada incluye lo siguiente:

medición de:

• El voltaje de cada celda. Los niveles de voltaje inferiores a los recomendados (por el fabricante) podrían afectar de forma negativa a la esperanza de vida útil de la batería.
• La densidad del electrolito de las celdas. Hay que tener en cuenta que la densidad del electrolito aumenta en una carga completa. Lo mejor sería tomar tres medidas: una en la parte superior, otra en el centro y otra en el fondo de la celda. La media de los tres valores es el valor que se debe utilizar. Si no es posible realizar tres mediciones, lo mejor es tomar una lectura lo más cercana posible a la parte media. Tenga en cuenta que no es necesario medir la densidad de cada celda de la cadena de baterías, sino solo del 10 % de las celdas.
• La temperatura del electrolito de algunas celdas. Si tuviera un sistema de baterías de 125 V, habría 60 celdas. Bastaría con comprobar la temperatura de seis de ellas. La temperatura deseada es la recomendada por el fabricante. Si el electrolito está a mayor temperatura, se requiere una mayor corriente de flotación para mantener el voltaje de la celda. Una corriente de carga demasiado alta podría afectar de forma negativa a la composición del electrolito, ya que se gasifica más hidrógeno y oxígeno. Por otro lado, una menor temperatura provoca una menor corriente de flotación, lo que, a su vez, ralentiza el proceso de carga.

También hay una inspección anual que aplica la inspección trimestral de todas las celdas de la batería, que es, por lo tanto, mucho más complicada.

Si se detectan anomalías durante estas inspecciones, se pueden tomar medidas correctivas. 

La temperatura ambiente y la ventilación se suelen definir durante el diseño. El análisis del costo total de propiedad se suele realizar con las condiciones óptimas para que la vida útil de la batería sea la más larga. La correlación general entre la temperatura ambiente y la vida útil de las baterías de plomo-ácido, ya sean ventiladas o VRLA, es la siguiente: la vida útil de la batería disminuye en un 50 % por cada 15 °F por encima de la temperatura normal, que es de 77 °F.  

Vida útil de la batería

Determinar la vida útil de la batería es importante, sobre todo en instalaciones de misión crítica. Con un mantenimiento adecuado, la vida útil de la batería se podría predecir con precisión, lo que evitaría el tiempo improductivo. Los factores más importantes que afectan la vida útil de la batería son los siguientes:

Temperatura ambiente:

• lo ideal es mantener la temperatura a 77 °F.

Mantenimiento:

• mantener la temperatura de las celdas bajo control; las grandes diferencias de temperatura entre las celdas (superiores a 3 °F) afectarán la vida útil de la batería.
• Mantener el voltaje de la celda bajo control. Hay que corregir lo siguiente:
• el voltaje por debajo del voltaje de la celda abierta + 0,06 V
• el voltaje por encima del voltaje de la celda abierta + 0,1 V (o 0,05 V para el plomo antimonio).

Ciclos:

• cuantas más descargas se produzcan, menor será la duración de la batería.

Componentes químicos:

• las baterías ventiladas pueden ser de plomo-calcio, plomo puro, plomo-selenio o plomo-antimonio. Todos los factores externos afectan la vida útil de la batería de forma diferente, según la composición química de esta.

Baterías VRLA

Las baterías VRLA son muy populares en la actualidad. Se conocen como baterías "sin mantenimiento", sobre todo por el hecho de que están selladas y emplean una "tecnología recombinante". El hecho de que la batería esté sellada asegura la preservación del electrolito, sin importar la posición de la celda de la batería (incluso se puede poner boca abajo). La tecnología recombinante supone que el oxígeno liberado desde la placa positiva termina en la placa negativa, donde se recombina con el hidrógeno y se convierte en agua. Este proceso conserva el agua de la batería.

Al igual que con las baterías ventiladas, el IEEE desarrolló una norma, la 1188-2005, Prácticas recomendadas por el IEEE para el mantenimiento, las pruebas y la sustitución de las baterías VRLA para aplicaciones estacionarias.

Aunque las baterías VRLA están selladas, la instalación y el mantenimiento de las baterías siempre representa un peligro. Solo el personal capacitado y con conocimientos debe trabajar cerca de las baterías. Además, el personal no autorizado no debe tener acceso a las baterías. La zona de la batería no se debe utilizar como almacén de herramientas ni de nada más. Todo el personal debe utilizar equipo de protección personal, como gafas, guantes y calzado de seguridad mientras trabaja con las baterías

Al igual que con las baterías ventiladas, la inspección es una parte importante del mantenimiento. El IEEE recomienda realizar inspecciones mensuales, trimestrales y anuales. Sin embargo, esta recomendación es de uso general. En el caso de las instalaciones o procesos de misión crítica, también es necesario realizar una inspección semanal.

La inspección mensual de las baterías VRLA es más o menos la misma que la de las baterías de plomo-ácido ventiladas. Esta inspección incluye las siguientes áreas:

Una inspección visual de lo siguiente:

• el estado general de la zona. La zona (sala) se debe mantener lo más limpia posible para que la suciedad o el polvo excesivo no cubran las celdas de la batería. Los equipos sucios son más difíciles de evaluar durante una inspección solo visual.
• Las celdas de la batería, en busca de rajaduras. Esta inspección es importante porque una grieta en el revestimiento exterior de la celda podría permitir la fuga del electrolito.
• los terminales de la batería, en busca de corrosión La corrosión en los terminales de la batería aumentará la resistencia de la conexión y, así, disminuirá la cantidad de corriente suministrada por el sistema de la batería.

Medición de lo siguiente:

• El voltaje de flotación en los terminales de la batería. Si el sistema de baterías funciona con un voltaje de flotación fuera del rango recomendado por el fabricante, la esperanza de vida de la batería se vería afectada de forma negativa.
• Temperatura y ventilación de la sala o zona. La temperatura es importante porque afecta la esperanza de vida útil de la batería. La ventilación es importante porque el movimiento adecuado del aire mitiga las altas concentraciones de hidrógeno, que es un subproducto de los procesos químicos de las celdas de la batería. Las altas concentraciones de hidrógeno en el aire aumentan de forma significativa el riesgo de explosiones.
• La corriente de flotación de la cadena. Una corriente de flotación elevada afectaría de forma negativa a la vida útil de la batería, ya que aumenta la temperatura de la celda.

La inspección trimestral incluye tomar medidas de lo siguiente:

• Los valores óhmicos internos de la celda. Hay que tener cuidado de utilizar el mismo método cada vez para que se establezca un valor de referencia creíble. Si los valores óhmicos cambian de forma drástica (entre el 30 % y el 50 %), se podría justificar la sustitución de la batería.
• La temperatura del terminal negativo de cada celda. Una temperatura mayor que la de otras celdas podría indicar una mayor corriente de carga. Las temperaturas más altas afectan de forma negativa la vida útil de la batería, como se muestra en la Figura 1 (consulte la Figura 1).
• Voltajes de las celdas. Tanto los voltajes altos como bajos podrían ser problemáticos. Un voltaje bajo prolongado, más bajo que el límite del fabricante, sin un aumento de la temperatura podría indicar un problema interno. Un voltaje alto prolongado, más alto que el límite recomendado por el fabricante, podría afectar la vida útil de la batería porque acelera el agotamiento.

La inspección anual se limita, entonces, a la medición de lo siguiente:

• Resistencia de celda a celda y de los terminales de la batería. Si el valor es un 20 % o más que el valor de referencia, se deben tomar medidas correctivas, como la limpieza de las conexiones y el reapriete.
• Corriente de ondulación del cargador de la batería, que podría afectar a la temperatura de la batería (no debería ser superior a 5 °F sobre la ambiente).

Baterías de níquel-cadmio ventiladas

Como su nombre indica, estas baterías son del tipo ventilado (inundado), donde la placa positiva está compuesta de hidróxido de níquel, y la negativa de hidróxido de cadmio. Estas baterías suelen ser las preferidas por lo siguiente:

• Tienen un alto número de ciclos.
• Se puede cargar muy rápido.
• Tienen una larga vida útil.

Sin embargo, estas baterías tienen las siguientes desventajas:

• Las baterías de NiCd tienen voltajes más bajos (1,2 V, en lugar de los 2 V de las baterías de plomo-ácido), lo que podría ser un problema para el espacio. En el caso de un sistema de 120 V, se necesitarían 60 celdas de plomo-ácido, pero 100 de NiCd.
• El cadmio es tóxico, por lo que estas baterías no son fáciles de desechar.
• Las baterías de NiCd tienen memoria, lo que significa que recuerdan la capacidad entregada la última vez y no entregan más que eso. Por ello, es necesario descargarlas para que pierdan la memoria y volver a cargarlas por completo.

El IEEE ha desarrollado una norma para este tipo de baterías: IEEE 1106-2015, Prácticas recomendadas para la instalación, el mantenimiento, las pruebas y la sustitución de baterías de níquel-cadmio ventiladas para aplicaciones estacionarias.

Al igual que con otros tipos de baterías, se recomienda el uso de equipos de protección personal, como gafas, guantes y delantales para el mantenimiento de las baterías de NiCd.

En la norma IEEE 1106-2016, se recomienda una inspección trimestral, que es lo mismo que la inspección mensual de las baterías de plomo-ácido ventiladas:

Una inspección visual de lo siguiente:

• el estado general de la zona
• las celdas de la batería, en busca de rajaduras
• los niveles de electrolitos
• los terminales de la batería, en busca de corrosión

Medición de lo siguiente:

• el voltaje de flotación en los terminales de la batería
• la corriente de flotación
• Temperatura y ventilación de la sala o zona.

También hay una inspección semestral. Esta inspección abarca lo que se exige en la inspección trimestral y se incorporan las mediciones del voltaje de las celdas. En la inspección anual, también se requiere examinar el estado de las conexiones de los cables y medir la resistencia.

Para ver una lista de medidas correctoras sencillas para algunas anomalías, consulte la tabla 3 (consulte la tabla 3).

Las baterías de NiCd se pueden someter a una carga de alta velocidad. Por lo general, se cargan a unos 1,4 a 1,47 V por celda, pero en una carga de alta velocidad, el voltaje puede llegar a 1,55 V para un máximo de 1,8 V.

Una batería de NiCd tolera mejor las altas temperaturas. Su vida útil se reduce en un 20 % cuando funciona a temperaturas de 50 °F por encima de los 77 °F recomendados, mientras que la batería de plomo-ácido recibe la peor parte, alrededor del 50 %. La correlación entre la vida útil de la batería de NiCd y la temperatura se muestra en la Figura 3 (consulte la tabla 3).

En la tabla 3 (consulte la tabla 3), se muestran algunas acciones correctivas para algunas anomalías simples.

Las baterías de NiCd, si funcionan a una temperatura de entre 68 y 77 °F, pueden durar mucho tiempo. Su capacidad disminuye lentamente, hasta alcanzar el 80 % después de 20 años. Incluso después de eso, se pueden utilizar en aplicaciones menos exigentes.  

La importancia del diseño

El mantenimiento es de especial importancia para los sistemas de misión crítica debido a la relevancia de su fiabilidad. De hecho, el mantenimiento no empieza cuando surgen problemas en los equipos, sino con el diseño de los sistemas. El profesional a cargo del diseño siempre tiene que tener en cuenta el mantenimiento cuando diseña sistemas eléctricos, y lo mismo ocurre con los sistemas de baterías.

Tenga en cuenta los siguientes consejos a la hora de diseñar y especificar las baterías en instalaciones de misión crítica:

• Decida con anticipación, junto con el propietario, qué tipo de batería va a utilizar. Elija el tipo de batería con antelación, lo que ayuda a concretar el diseño y las condiciones de funcionamiento del sistema de baterías.
• Diseñe un sistema de enfriamiento de acuerdo con las recomendaciones del fabricante. Como se mencionó, la temperatura ambiente juega un papel importante en la vida útil de la batería.
• Diseñe un sistema de ventilación que refresque de forma adecuada el aire de la zona para no permitir la concentración de hidrógeno en esta.
• Establezca los espacios libres adecuados alrededor de los soportes de las baterías.
• Diseñe una contención adecuada en caso de fuga de la solución de la batería.

Una vez que el sistema (o la instalación) esté en funcionamiento, es fundamental asegurarse de que se cumplan las condiciones de diseño mencionadas más arriba. También es fundamental seguir las recomendaciones de la IEEE para las inspecciones semanales, mensuales y anuales (agregue una inspección semestral para las baterías de NiCd). Una inspección visual, por sencilla que parezca, es muy importante para detectar a tiempo lo que se podría convertirse en una avería grave. Lo mejor es que el equipo de mantenimiento prepare un formulario estándar para cada tipo de inspección. Estos formularios podrían tener casillas para colocar marcas de verificación y espacios para notas donde se puedan explicar ciertas condiciones observadas. Disponer de un registro de las inspecciones ayuda a realizar un seguimiento de ciertas condiciones y elaborar un plan de acción si las condiciones se deterioran.  

Eduard Pacuku es ingeniero eléctrico ejecutivo de Concord Engineering. Dedica la mayor parte de su tiempo a diseñar sistemas eléctricos para universidades, instalaciones sanitarias, instalaciones de misión crítica y edificios comerciales de gran altura.