Resiliencia de equipos y plantas, en números — Condiciones de diseño por infraestructura y por amenaza

Plant and Equipment Resilience, by the Numbers — Design Conditions by Infrastructure and Hazard

Los equipos no funcionan solo en las condiciones que figuran en su placa de características. La tensión de alimentación puede apartarse del valor nominal durante periodos breves, un terremoto acelera el suelo, la presión del viento actúa sobre las superficies exteriores y la carga de nieve actúa sobre las cubiertas. Del lado del equipo, cada una de estas condiciones externas se convierte en una magnitud física distinta: la desviación de tensión se convierte en el tiempo que una fuente puede mantener su salida y en el par que un motor puede entregar; la aceleración, en carga sobre los anclajes; la velocidad del viento, en presión sobre la cara; y la profundidad de nieve, en carga.

Lo importante, entonces, no es el nombre del desastre, sino qué magnitud actúa sobre qué. Este artículo comienza por la alimentación eléctrica y la acometida, presentes en cualquier planta, y después trata terremotos, tifones y nieve, con el foco en los fenómenos y sus consecuencias.

Puntos clave de este artículo

SecciónQué explica esta sección
Desviación de tensión y tolerancia de los equiposAnte el mismo hueco de tensión, la fuente de 24 V, los motores, las soldadoras y el HVAC se detienen de formas distintas
Nivel de acometida y riesgo del lado de la plantaEn Estados Unidos, Europa, Japón y Brasil, la misma carga cambia dónde cae la tensión y hasta dónde llega un corte
Aceleración sísmica y carga en los anclajesConvertir los valores orientativos de intensidad en fuerza horizontal; la aceleración tira de los anclajes
Velocidad y presión del viento en tifonesConvertir la velocidad del viento en carga de viento, con un armario de intemperie como ejemplo
Profundidad de nieve y carga de nieveConvertir la profundidad en carga descendente, con la cubierta de una marquesina como ejemplo

Desviación de tensión y tolerancia de los equipos

Aunque la placa de un armario de control diga 200 V, la tensión real puede apartarse del valor nominal. Una caída breve se llama hueco de tensión; una interrupción breve, corte momentáneo; y una subida breve, sobretensión momentánea. La frecuencia con que ocurren depende de la región y de la red. Del lado del equipo, lo primero que hay que comprobar es a qué tensión se refiere la desviación: a la entrada de CA, a los 24 V de control o a los bornes del motor.

Al hacerlo, conviene recordar que el «±10%» de la placa no significa que la tensión de la instalación se mantenga siempre dentro de ese margen. El rango admisible, el rango garantizado por el fabricante y el margen de diseño son tres números distintos. Además, ese mismo ±10% se refiere a tensiones diferentes en la entrada de 200 V CA, en los 24 V de control y en los bornes del motor. Por eso, aunque la entrada de CA siga dentro de tolerancia, el PLC se detiene cuando la fuente estabilizada agota el tiempo durante el que puede mantener su tensión de salida.

La misma desviación de tensión detiene a cada equipo en condiciones distintas. Los 24 V de control, los motores, las soldadoras y la climatización (HVAC) vigilan tensiones diferentes, y cada uno afecta de manera distinta al resto. La tabla siguiente resume esas diferencias.

EquipoTensión que importaQué falla primeroEfecto sobre otros equipos
PLC / control (24 V)La salida de la fuente estabilizada y el tiempo que puede mantenerlaCaen los 24 V y se detienen la CPU, los sensores y el bus de campo. Los contactores suelen soltarse antes que el PLCPequeño como carga
MotorTensión en bornes; el bus de CC en accionamientos con variadorEl par es aproximadamente proporcional al cuadrado de la tensión. Con tensión baja, la corriente sube para la misma carga y puede llevar a sobrecalentamiento o bloqueoLa corriente de arranque hunde la tensión circundante
SoldadoraTensión en bornes durante el pulsoEl arco se vuelve inestable. Las soldadoras con inversor se detienen por subtensión del bus de CCSuele ser una causa principal de huecos dentro de la planta
HVACBornes del compresor y contactorUn hueco suelta el contactor y el rearranque vuelve a hundir la tensión. Si se para la climatización de proceso, se para el procesoEl arranque del compresor provoca huecos

Un apunte sobre la fila del PLC: hay fuentes estabilizadas de rango amplio que aceptan entradas de CA de 85 V a 264 V. Por eso, «el PLC aguanta si la CA está en ±10%» confunde la entrada de CA con la salida de 24 V. Que el PLC siga en marcha lo decide cuántos milisegundos puede mantenerse la salida de 24 V. Las soldadoras y el HVAC, en cambio, no solo sufren las caídas de tensión: también las causan. En variadores y servos hay que vigilar la tensión del bus de CC, igual que en los motores.

La figura siguiente muestra, para una misma forma de onda de tensión, el número concreto al que se detienen el HVAC, el motor, la soldadora y la fuente de 24 V.

Onda de un hueco de tensión con los números a los que se detienen cuatro cargas. El HVAC cae a 0.82, el par del motor a 0.52 y los 24 V al agotarse el hold-up; el pulso de la soldadora también provoca huecos. Aquí la tensión va a media caída, el HVAC está apagado y el pulso de la soldadora continúa.
En el mismo hueco de tensión, el HVAC se detiene primero cuando la tensión cruza su umbral, mientras que el pulso de la soldadora es a su vez una causa de la caída de tensión circundante.
💡 Tip

Después de comprobar la tolerancia de la entrada de CA, compruebe por separado cuánto tiempo pueden mantenerse los 24 V. Si un contactor se suelta antes, las salidas se pierden aunque el propio PLC siga funcionando.

⚠️ Error común

Leer el ±10% de la placa como un único valor de aguante común a todos los equipos del armario. Como cada equipo vigila una tensión distinta, unos aguantan y otros se detienen.

Nivel de acometida y riesgo del lado de la planta

El nivel de tensión al que una planta recibe la energía cambia dos cosas: hasta dónde se extiende un corte y en qué punto las cargas de la planta hunden la tensión. Los nombres de los niveles y las tensiones habituales varían según la región; la conversión que se usa del lado del equipo, en cambio, es la misma en todas partes: del nivel de acometida a dónde cae la tensión y hasta dónde llega el corte. Tenga en cuenta que el nombre del nivel es un rango de tensión, no una garantía de que los equipos sigan funcionando.

Antes de leer la tabla, dos términos: barra es un tramo en el que los armarios están conectados a la misma tensión, y lado secundario es el lado de menor tensión de un transformador. La tabla siguiente puede cambiarse por región; la región que se abre primero coincide con el idioma de este artículo.

La frecuencia es de 50 Hz. Hasta 1 000 V CA se habla de baja tensión; por encima de 1 kV y hasta 36 kV, de media tensión; y por encima, de alta tensión. En plantas, la baja tensión típica es 400 V; la media, 10 kV o 20 kV; y la alta, 110 kV. Que el transformador esté del lado de la compañía o dentro del recinto es lo que cambia la corriente vista por la red y el alcance de un corte.

AcometidaTensión habitualUbicación del transformadorQué cambia primero del lado del equipo
baja tensión400 VEn el poste, o un transformador pequeño en el recintoLa caída de tensión en el cableado interno es grande. Las perturbaciones de soldadura llegan con facilidad a los 24 V vecinos y a la red. Un corte abarca todo lo que comparte el transformador
media tensión10 kV o 20 kVEn el recintoLa corriente del lado de red es pequeña. Aun así, quedan los arranques y la soldadura en el lado de baja del transformador. Si una falta interna no puede despejarse dentro, se para toda la planta
alta tensión110 kV, entre otrasEn el recinto (plantas grandes)La perturbación de tensión hacia la red es pequeña. Pero si se pierde el suministro, el área afectada es amplia y la reposición suele tardar

Para el mismo pulso de soldadura, el nivel de acometida cambia dónde circula la corriente grande. La tabla siguiente es una orientación para unos 30 kW en trifásica de 400 V; no es un valor para seleccionar equipos.

AcometidaCorriente en el secundarioCorriente aproximada en la red24 V vecinos
baja tensiónUnos 43 AUnos 43 A (igual que dentro)Propensos a caer si comparten barra; la perturbación llega además a la red
media tensiónUnos 43 A (secundario)Unos 0.9 A (20 kV, trifásica)Caen si están en la barra del secundario, pero la red apenas lo nota
alta tensiónUnos 43 A (secundario)Unos 0.16 A (110 kV, trifásica)En el secundario, igual que en media tensión; pero un corte abarca un área amplia

Nota: Las corrientes del lado de red son valores orientativos para unos 30 kW en trifásica a esa tensión. No incluyen la resistencia del cableado ni la impedancia del transformador.

En todas las regiones, subir el nivel de acometida reduce la corriente vista por la red. Lo que permanece es la soldadura y los arranques de motor en el secundario del transformador.

La figura siguiente muestra que, aunque los nombres de los niveles cambien según la región, el mecanismo es el mismo. De arriba abajo: en tensión de utilización, el hueco llega hasta la red; con transformador en el recinto, la corriente de red es pequeña; en el nivel más alto, un corte abarca un área amplia. Y los 24 V caen en todos los niveles.

Tres niveles de acometida comparados fila a fila: hasta dónde viajan los huecos y hasta dónde llegan los cortes. Los nombres cambian por región, pero el mecanismo es el mismo y los 24 V caen en todos los niveles. En este fotograma las tres diferencias están a la vista.
De arriba abajo: en tensión de utilización el hueco llega a la red, con recepción en el recinto la corriente de red es pequeña y en el nivel superior el alcance del corte es amplio. Los 24 V caen en todos los niveles.

En cambio, con una sola línea de acometida, una falta en esa línea para toda la planta. Incluso con dos líneas, si comparten trazado pueden perderse a la vez. Y si una falta interna no puede despejarla un interruptor interno, abre primero el de aguas arriba y se para toda la planta. Los procedimientos de instalación quedan fuera de este artículo.

Definidos el nivel de acometida y las líneas, el paso siguiente es la protección y la ubicación de los equipos que sostienen la tensión (SAI/UPS). La capacidad necesaria depende de si se mantienen solo los 24 V o el proceso completo.

💡 Tip

Subir el nivel de acometida reduce la perturbación del lado de red. Trate los 24 V y la soldadura del secundario como una condición aparte, que permanece.

⚠️ Error común

Suponer que subir el nivel de acometida hace desaparecer los huecos de tensión. La corriente del lado de red se reduce, pero los arranques y la soldadura del secundario permanecen.

Aceleración sísmica y carga en los anclajes

Cuando un terremoto acelera el suelo, la masa del equipo no lo sigue al instante. Multiplicar la aceleración por la masa da una fuerza, llamada fuerza de inercia. Con peso propio W, aceleración de la gravedad g y aceleración horizontal a, la fuerza de inercia horizontal es F = (a/g) W. Así, 0.3 g supone una fuerza horizontal de 0.3 veces el peso propio, y 1 g, una fuerza igual a él. Esa fuerza tira de los anclajes y de la placa base, o tiende a levantar las patas.

Esa aceleración no puede tomarse directamente de la intensidad publicada. La magnitud describe el tamaño de la fuente; la intensidad, la sacudida en un lugar concreto. Japón usa la escala de intensidad sísmica de la JMA, que va de 0 a 7 y divide los niveles 5 y 6 en inferior y superior. Fuera de Japón, la sacudida suele informarse con la escala de Mercalli modificada (MMI). Los cálculos de equipos, sin embargo, usan la aceleración horizontal en g. No es raro que un sismo cercano de magnitud 5 produzca en el emplazamiento una aceleración mayor que uno lejano de magnitud 7.

La tabla siguiente es una orientación para el caso en que la aceleración horizontal actúa íntegra sobre una masa fijada al suelo. La intensidad JMA no se determina solo con la aceleración pico, de modo que dentro de un mismo nivel la aceleración varía de un lugar a otro. Por tanto, no son valores para seleccionar equipos.

CasoMercalli modificadaIntensidad JMAAceleración horizontal de ejemploMúltiplo del peso propio
La mayoría de las personas se asustaV–VI40.03–0.08 g0.03–0.08 veces
Los muebles pueden volcarVII5 Upper0.15–0.25 g0.15–0.25 veces
Cuesta mantenerse en pieVIII6 Lower0.25–0.3 g0.25–0.3 veces
Vuelca la mayoría de los muebles no fijadosIX6 Upper0.3–0.4 g0.3–0.4 veces

Nota: La escala de Mercalli modificada (MMI) es la escala de sacudida usada en Estados Unidos y otros países. La intensidad JMA es la escala de la agencia meteorológica de Japón. La correspondencia de la tabla es aproximada.

Por ejemplo, un armario de 1 tonelada de masa, con el valor orientativo del nivel 6 Lower (unos 0.3 g), recibe una fuerza horizontal de unos 3 kN (equivalente a unos 300 kg). En pisos altos o sobre estructuras poco rígidas, la aceleración puede superar a la del nivel del suelo. A eso se suma que un centro de gravedad alto aumenta aún más la carga de los anclajes del lado de tracción con la misma aceleración.

Del lado del montaje, pretensar los pernos hace que las caras de la unión absorban en compresión la mayor parte de la fluctuación de la fuerza exterior.

La figura siguiente muestra la relación: cuanto mayor es la aceleración, mayor es la carga en los anclajes del lado de tracción. La selección del diámetro del anclaje no se trata aquí.

Un armario sobre un suelo que acelera, visto de frente, con la fuerza de inercia y la tracción de los pernos de anclaje. Muestra cómo la aceleración por la masa tira de los anclajes. Aquí el suelo acelera hacia la derecha y el perno derecho se engrosa, entrando en tracción.
Al aumentar la aceleración, aumenta la carga en los anclajes del lado de tracción.
⚠️ Error común

Elegir los anclajes solo por el nivel de intensidad. Dentro de un mismo nivel, la forma de onda de la aceleración, la masa y la altura del centro de gravedad cambian la carga sobre los anclajes.

Velocidad y presión del viento en tifones

Sobre armarios de intemperie, estructuras y cubiertas de transportadores no actúa la velocidad del viento en sí, sino la presión sobre sus caras. La presión es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad, de modo que duplicar la velocidad multiplica por unas cuatro veces la carga sobre una cara. Un mapa de trayectorias no sustituye a esa presión.

Como ejemplo, tomemos un armario de intemperie de 0.8 m de ancho y 2.0 m de alto; el área expuesta al viento es de 1.6 m². La presión dinámica q — la presión calculada a partir de la velocidad del viento — es 0.6 v² (en N/m², con v en m/s) para una densidad del aire de aproximadamente 1.2 kg/m³. La carga horizontal de viento es esa presión dinámica por el área, con coeficiente de fuerza 1: una orientación, no un valor para seleccionar equipos.

CasoVelocidad del vientoPresión dinámicaCarga horizontal de viento
En torno al umbral de tifón18 m/sUnos 190 N/m²Unos 0.3 kN (equivalente a unos 30 kg)
Zona de vientos violentos25 m/sUnos 380 N/m²Unos 0.6 kN (equivalente a unos 60 kg)
Velocidad doble (presión cuádruple)36 m/sUnos 780 N/m²Unos 1.2 kN (equivalente a unos 130 kg)
Tifón fuerte40 m/sUnos 960 N/m²Unos 1.5 kN (equivalente a unos 160 kg)

Nota: Coeficiente de fuerza 1; no se incluye el incremento por altura sobre el suelo. 1 kN es aproximadamente una fuerza equivalente a 100 kg. El umbral de tifón sigue la definición de la JMA (viento máximo de aproximadamente 17 m/s o más); la zona de vientos violentos corresponde a viento medio de 25 m/s o más; y un tifón fuerte, a viento máximo de 33 m/s o más y menos de 44 m/s.

Para este armario, un tifón fuerte (40 m/s) aplica una fuerza horizontal de unos 1.5 kN (equivalente a unos 160 kg). La altura, las rachas y otro coeficiente de fuerza cambian el valor incluso con la misma velocidad.

La figura siguiente muestra cómo crecen la presión sobre la cara del armario y la fuerza horizontal al subir la velocidad del viento; la velocidad actual, la presión dinámica y la fuerza horizontal (kN y kg equivalentes) cambian como números. También muestra dónde cae la velocidad actual en las categorías de tifón de la JMA y en la escala de huracanes (SSHWS). La JMA usa medias de 10 minutos y la escala de huracanes, de 1 minuto, por lo que las categorías no coinciden a la misma velocidad. La resistencia de la envolvente varía según el equipo, así que ni la tabla ni la figura sustituyen a un valor admisible.

Velocidad del viento, presión dinámica y fuerza horizontal sobre un armario de intemperie, visto de frente. La presión crece con el cuadrado de la velocidad y la fuerza se lee en kN y kg equivalentes. Aquí el viento llega a la cara del armario, con Strong typhoon y Cat 1 hurricane en pantalla.
Al subir la velocidad del viento, la presión dinámica crece con el cuadrado y la fuerza horizontal (kN y kg equivalentes) crece con ella. También cambia la categoría de tifón y de huracán de la velocidad actual.

Profundidad de nieve y carga de nieve

Nunca determine la carga de una cubierta solo con la profundidad de la nieve. La nieve gana peso al absorber lluvia y, con los cambios de tiempo, puede fundirse y densificarse antes de que caiga nieve nueva encima, acabando más pesada de lo que aparenta. Los lucernarios y las estructuras de soporte, además, pueden quedarse sin capacidad bajo una acumulación local antes de que la carga media de la cubierta sea crítica. La nieve, por último, es una condición con fuertes diferencias regionales.

Como ejemplo, tomemos la cubierta de una marquesina exterior de 2.0 m × 2.0 m; el área es de 4.0 m². Fijamos la carga unitaria de nieve en el valor habitual con la Ley de Normas de Edificación de Japón: 20 N/m² por centímetro de profundidad, es decir, 2 kN/m³. La carga de nieve es la fuerza vertical por unidad de área, y la carga de toda la cubierta, ese valor por el área. Ambas son orientaciones, no valores para seleccionar equipos.

CasoProfundidad de nieveCarga de nieveCarga de toda la cubierta
30 cm de nieve0.3 m0.6 kN/m²Unos 2.4 kN (equivalente a unos 240 kg)
60 cm de nieve0.6 m1.2 kN/m²Unos 4.8 kN (equivalente a unos 490 kg)
1 m, habitual en regiones de mucha nieve1.0 m2.0 kN/m²Unos 8 kN (equivalente a unos 800 kg)
El mismo 1 m, saturado de agua1.0 m4.0 kN/m²Unos 16 kN (equivalente a unos 1 600 kg)

Nota: La carga unitaria es 20 N/m² por centímetro de profundidad (2 kN/m³). Solo la última fila duplica la carga unitaria, como orientación para nieve saturada de agua. 1 kN es aproximadamente una fuerza equivalente a 100 kg.

Para esta cubierta de 2 m por lado, 1 m de nieve aplica una fuerza descendente de unos 8 kN (equivalente a unos 800 kg). La última fila muestra que, a igual profundidad, la nieve saturada de agua pesa más.

La figura siguiente muestra cómo crece la carga de los pilares al crecer la profundidad — y cómo, cuando llueve sobre la nieve acumulada, la densidad sube y la fuerza en los pilares sigue creciendo con la misma profundidad. El dimensionado de los perfiles no se trata aquí.

Sección de la cubierta de una marquesina, con la profundidad de nieve y la fuerza descendente en los pilares. Explica cómo la lluvia sobre la nieve sube la densidad y la carga con la misma profundidad. Aquí llueve sobre la nieve y las flechas de los pilares llegan a medio camino, aún sin tocar la viga.
Cuando llueve sobre la nieve ya acumulada, la carga de los pilares aumenta aunque la profundidad no cambie.

Resumen

En tensión, separe los puntos que mira — la entrada de CA, los 24 V de control — y compruebe la desviación y el tiempo de mantenimiento (hold-up) de cada uno. La acometida, se llame como se llame el nivel en su región, determina dónde cae la tensión y hasta dónde llega un corte. En un terremoto, la aceleración se convierte en carga de anclaje; con viento, la velocidad, en presión sobre la cara; con nieve, la profundidad, en carga. Lo que usa el diseño son los valores tras estas conversiones. Los espesores de chapa o diámetros de anclaje recomendados, y los juicios basados solo en dónde han ocurrido eventos, quedan fuera de este artículo.

Preguntas frecuentes

Q1. ¿Aguanta el PLC con un ±10% de la tensión nominal?

A. El rango de placa de la entrada de CA y el tiempo que puede mantenerse la salida de 24 V son dos cosas distintas. Con una fuente de rango amplio, la salida puede caer primero mientras la entrada de CA sigue presente. Y los contactores pueden abrirse incluso antes.

Q2. ¿Subir el nivel de acometida elimina los huecos de tensión?

A. La corriente del lado de red se hace más pequeña, pero los arranques y la soldadura del secundario permanecen. En cambio, recibiendo en tensión de utilización, el mismo pulso llega a la red con más facilidad.

Q3. ¿Son lo mismo la intensidad y la aceleración?

A. No. La intensidad es una escala de la sacudida en un lugar, no una fuerza. Sobre los anclajes actúa la aceleración multiplicada por la masa. Y dentro de un mismo nivel de intensidad, la aceleración tiene un margen amplio.

Q4. Si la velocidad del viento se duplica, ¿qué pasa con la presión del viento?

A. La presión sobre una cara se multiplica aproximadamente por cuatro, porque la presión es proporcional al cuadrado de la velocidad. En la tabla de la sección de tifones, 18 m/s y 36 m/s forman esta pareja. Para el armario de intemperie de 0.8 m de ancho y 2.0 m de alto, eso es un equivalente de unos 30 kg a 18 m/s y de unos 130 kg a 36 m/s.

Q5. ¿Basta conocer la profundidad de nieve para conocer la carga?

A. La profundidad por sí sola no la determina; multiplicada por la carga unitaria se convierte en fuerza descendente. Para la cubierta de 2 m por lado, 1 m de nieve equivale a unos 800 kg, y el mismo 1 m de nieve saturada de agua, a unos 1 600 kg. Las acumulaciones locales, además, pueden superar la capacidad de un perfil antes que la carga media.

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