Mantenimiento predictivo de baterías alcalinas y efecto memoria. Una aproximación práctica para su eliminación

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1 Título Mantenimiento predictivo de baterías alcalinas y efecto memoria. Una aproximación práctica para su eliminación Registration Nº: (Abstract) Empresa o Entidad Empresa Distribuidora y Comercializadora Norte S.A. EDENOR Autores del Trabajo Nombre País Sergio Del Borello Argentina sdelborello@edenor.com Matías Calivar Argentina mcalivar@edenor.com Palabras Clave Subestaciones - Mantenimiento Baterías Capacidad Efecto memoria RESUMEN En el contexto actual de las estaciones transformadoras de AT, los bancos de baterías cumplen un rol fundamental como back-up de energía, ante una salida de servicio de las instalaciones. Las baterías proveen la energía para alimentar los circuitos de mando y protecciones necesarios para restablecer el servicio ante un corte de energía. Es por esto que deben ser elementos confiables, es decir, disponer de la capacidad para entregar la energía según fueron diseñadas. Las baterías alcalinas que dispone EDENOR S.A. son regularmente mantenidas y ensayadas para asegurar su correcto desempeño. En el proceso de mejora de la metodología de mantenimiento existente, se consultaron las normas internacionales y se analizaron las distintas tecnologías de ensayos de capacidad, evaluando sus problemas típicos. Durante este estudio, se determinó que uno de los principales inconvenientes de las baterías alcalinas es el Efecto Memoria, que se traduce en la pérdida de capacidad de los baterías cuando son sometidas a largos periodos de carga en estado de flotación. La bibliografía más optimista aseguraba que, reduciendo el efecto memoria, podría recuperarse hasta un 16% de la capacidad original de la batería. De esta forma, el efecto cobra vital importancia en las baterías más antiguas, ya que podría definir el reemplazo de costosos bancos de baterías. Hasta el momento no se tenía contemplado dentro del mantenimiento, una práctica para eliminar este efecto y aumentar la capacidad de las baterías. Por lo que se comenzaron a ensayar nuevas técnicas de mantenimiento que las contemplen, conformando varios casos de estudio. Para valorar la eficacia del nuevo método, se evaluaron en todos los casos, la capacidad recuperada de las baterías, los tiempos y costos empleados en el mantenimiento, y el periodo en donde la batería vuelve a memorizarse y perder capacidad. Una vez evaluados los resultados, se conformó una técnica que optimiza la relación costo-beneficio. En el presente trabajo se desarrollan los estudios realizados, las verificaciones de campo llevadas a cabo y finalmente los resultados alcanzados y las conclusiones desarrolladas orientadas a la mejora de las metodologías de trabajo empleadas.

2 Sergio Del Borello Edenor S.A. Emilio Mitre 379, Haedo, Pcia. Buenos Aires (Argentina) Int 3808 Matías Calivar Edenor S.A. Emilio Mitre 379, Haedo, Pcia. Buenos Aires (Argentina) Int Introducción EDENOR S.A. es una empresa de distribución eléctrica que cuenta con 72 subestaciones (SSEE) de transformación AT/MT. Como la mayoría de estas distribuidoras, el sistema de alimentación de mandos y protecciones está basado en un rectificador y batería de respaldo, que alimenta estos sistemas, durante el tiempo para el que fueron diseñadas, ante la salida de servicio del rectificador. En estas subestaciones, EDENOR posee más de 80 baterías de maniobra, las cuales son de 2 tecnologías distintas: baterías de plomo-ácido (las cuales no son objeto de este trabajo), y baterías alcalinas o Níquel-Cadmio (NiCd). Históricamente, el mantenimiento y ensayo de estas baterías de NiCd, tenía como principal objetivo determinar cuál era el rendimiento o capacidad de entrega de energía ante un evento, pero no permitía eliminar mediante estos mantenimientos, lo que se conoce como Efecto Memoria de las baterías alcalinas. Si bien este efecto se conocía, como así también las consecuencias que genera en el desempeño de las baterías, cuando se montaron las primeras baterías alcalinas se consideró continuar con la metodología que ya se utilizaba para las baterías de plomo ácido, con las adaptaciones necesarias para aplicar al nuevo tipo de baterías. Sin embargo, en los últimos años, cuando la edad de las baterías alcalinas que se disponen está en el promedio de vida útil de las mismas (según los datos de los fabricantes), se tornó necesario estudiar la posibilidad de buscar una nueva metodología de mantenimiento que permita eliminar, o al menos disminuir, el efecto memoria y sus consecuencias en la capacidad de estas baterías, lo cual dio origen a este estudio. Este proceso de mejora en los programas de trabajo de mantenimiento, es decir incluir acciones conducentes a la eliminación del efecto memoria, se pensó también como un método que permitiera adicionalmente verificar cuál era el incremento del rendimiento sobre cada batería una vez eliminado tal efecto. Esto es así sobre todo en los casos en los cuales el rendimiento se encontraba en el entorno 1 que indica la necesidad del recambio de la batería, de manera tal de poder analizar, si con dicho incremento de la capacidad, era posible diferir su recambio por baterías nuevas. De ser esto posible, es decir, si pudiera comprobarse que mediante la nueva metodología, el rendimiento medido se viera sensiblemente incrementado, se estaría ante un ahorro financiero importante, debido al hecho de que no se tendría la necesidad de recambiar varias baterías al mismo tiempo, sino que este se podría escalonar en el tiempo, con el mencionado beneficio. 2. Efecto Memoria o Flote El Efecto Memoria o Efecto Flote, es una particularidad que se da en las baterías de NiCd, no así en las de plomo-ácido. Este estudio sobre dicho fenómeno está basado en la información extraída de la norma IEC Este efecto está relacionado con la forma en que se realiza la descarga y carga, más exactamente con la profundidad de la misma. Las baterías no siempre se descargan totalmente, y es normal que éstas se descarguen parcialmente en forma repetida. Estas descargas poco profundas y posteriores recargas de las baterías, son las que generan el efecto flote, el cual está asociado a una pérdida transitoria de la capacidad efectiva que se puede extraer de la batería. Cuantos más ciclos de carga-descarga parciales se realizan sobre la batería, mayor es la magnitud de este fenómeno. A su vez, hay dos formas de realizar la recarga de una batería, a corriente constante, o a tensión constante. Esta segunda opción es la que se da en instalaciones en las que se mantiene la carga de la batería en flote, es decir a tensión constante, lo cual también aumenta el efecto memoria. Cabe destacar que estas dos situaciones, tanto la repetición de descargas parciales, como la carga por períodos prolongados de la batería a tensión de flote, se dan continuamente en las instalaciones de EDENOR. Según estudios sobre el tema, la repetición de descargas parciales no permite la transformación de todo el material activo de los electrodos de la

3 batería. Este material activo que no se transforma sufre cambios morfológicos, que dificultan su transformación cuando, en descargas posteriores, se requiere una descarga más profunda, es decir cuando se la descarga a niveles mayores de lo que se la estaba descargando en ciclos anteriores. Esto se manifiesta, como se dijo anteriormente, en una pérdida de capacidad de la batería, o lo que es lo mismo, en una caída de la tensión que puede entregar la batería. Más allá de esto, el efecto memoria de una batería alcalina es reversible, ya que se puede eliminar, recuperando la capacidad nominal de la batería, como se analizará en el siguiente punto. En base a esto se propondrá una nueva metodología de trabajo para su eliminación. 3. Metodologías de Mantenimiento El mantenimiento preventivo que se realiza sobre este tipo de baterías se basa en la medición de la capacidad que puede entregar la batería luego de 5 horas de descarga controlada. Esto permite determinar si la misma todavía está apta para cumplir con la función de alimentación para la cual fue diseñada, o si se requiere su reemplazo. Según se desprende de la norma IEC [1], para eliminar el efecto memoria de una batería de NiCd, la misma se debe descargar mediante una corriente de It = 0.2C 5 [Ah] (1) es decir del 20% de la capacidad nominal en 5hs, hasta una tensión final por celda de 1V/e. Luego se debe recargar la batería con la misma corriente durante 7 a 8 hs, para asegurar una correcta recarga. Según estos estudios, los datos más optimistas indican que se puede lograr una mejora en la capacidad de hasta el 16%, luego de eliminar el efecto memoria, pero sobre baterías nuevas y en condiciones de laboratorio, es decir memorizando las baterías mediante descargas y cargas parciales siempre hasta el mismo nivel [2] Metodología original (Sin eliminar efecto memoria) Las baterías alcalinas instaladas en las SSEE de EDENOR S.A. son en general de 86Ah, 138Ah y 208Ah de capacidad en 5 hs. En la siguiente fotografía, se puede ver un banco de baterías alcalinas instalado en una subestación (SE) de EDENOR, en este caso de 138Ah. 2 Figura 1 Batería de NiCd Instalada en SE de EDENOR Desde su adquisición, las pruebas de capacidad sobre este tipo de baterías, se han realizado en base a los datos y manuales de mantenimiento brindados por los fabricantes y la experiencia adquirida, aunque, como se aclaró anteriormente, no se consideraba el efecto memoria. De estos datos surge el Programa de Trabajo (PROT) con el listado de tareas con el que se venía trabajando para realizar una prueba de capacidad sobre cualquier tipo de baterías. Este trabajo se realizaba hasta el momento en 3 etapas. Básicamente, las tareas se dividían como se describe a continuación: a) En la primera etapa se conectaban la batería y el rectificador de reserva, de forma tal de poder poner fuera de servicio la batería de servicio (propia de la SE). De esta manera se utilizaba esa primera etapa básicamente para poder abrir la batería de servicio en cualquiera de sus puentes y conexiones y realizar la limpieza que fuera necesaria, tarea que no se puede realizar en otro momento. A su vez se dejaba lista la instalación para comenzar con la descarga. b) En la segunda etapa se realiza la descarga de la batería de servicio, con una corriente de descarga It según se indica en la ecuación (1), tomando como indica la PROT las mediciones que correspondan de tensiones, corrientes y temperatura. c) Al finalizar la descarga se inicia el proceso de carga de la batería, también con una corriente de carga It del 20% C 5, previo conexionado para tal fin. Durante esta tercera etapa se finaliza con la recarga, se chequea el correcto funcionamiento de la batería y el rectificador. Una vez realizado esto se pone en servicio la batería y se desconectan la batería y el rectificador de reserva, dejando la instalación

4 en servicio. Se realizan las adecuaciones finales y la limpieza de la sala para concluir así el trabajo. Esta prueba de capacidad se llevaba a cabo en el transcurso de 3 jornadas completas de 8 horas, siempre teniendo en cuenta que la SE no debe estar nunca sin alimentación de la batería, ya sea la propia de la SE o la de reserva Metodología propuesta (Eliminando efecto memoria) En la nueva metodología de trabajo propuesta, la principal modificación a realizar es que previo a la realización de la prueba de capacidad se debe descargar la batería hasta que sus elementos alcancen una tensión en cada vaso de 1,0V/e, con una corriente de descarga igual a It (20% C 5 ), según norma IEC Por lo tanto en esta metodología se realizarán dos ciclos de descarga-carga de la batería en lugar de uno, como en la forma original. Esto permite eliminar el Efecto Memoria de las baterías alcalinas, originado por el cumplimiento de repetidos ciclos de carga y descarga poco profundos a tensiones finales de descarga superiores a 1,1V/e. Por consiguiente, en una primera etapa debe realizarse la descarga inicial hasta 1,0V/e con una corriente de descarga de 20% C 5. Una vez realizada la descarga, se inicia la recarga, también con una corriente de carga del 20% C 5. La recarga finaliza cuando se alcanza una carga adecuada, dada por la caída de corriente requerida por la batería. Se deja reposar la batería hasta que alcance valores de tensión de flote, momento en el cual se puede iniciar la segunda descarga de la batería de servicio. Luego se completan las tareas como se venía realizando en la metodología original. Se debe tener en cuenta que, aún eliminado dicho efecto, de continuar las descargas poco profundas de la batería con permanencia por tiempos prolongados en flote, ésta alcanzará su peor estado de memoria nuevamente en alrededor de 3 meses. Esta situación es imposible de restringir en las baterías instaladas en SS.EE. de EDENOR por las características de operación a que se ven sometidas. Por lo tanto, y teniendo en cuenta esto último, es que se estudió previamente la conveniencia entre ambas metodologías, para mediante los resultados comparativos, decidir cuál era la más adecuada, o si era necesario buscar una nueva alternativa. 4. Comparación metodológica En la totalidad de SSEE de EDENOR (actualmente 72 y en continuo crecimiento), hay montadas 84 3 baterías, de las cuales 50 son alcalinas y son objeto de este análisis. En base a esto se decidió realizar este estudio sobre 10 de estas baterías para realizar una comparación entre ambos métodos. Teniendo en cuenta que en esta nueva metodología se realizan dos descargas a la batería, se utilizó esto para realizar la comparación entre ambas. Para realizar el estudio, se realizan una prueba de capacidad con la primera descarga sobre los elementos, con todas las mediciones correspondientes para poder medir la capacidad o rendimiento de la batería. Esta primera descarga, se toma como la prueba de capacidad que se venía realizando con la metodología original, ya que no posee una descarga previa que elimine el efecto flote. A su vez, esta primera descarga no se detiene a las 5 hs como se realiza en una prueba de capacidad original, sino que se continúa el tiempo necesario hasta que los elementos alcancen una tensión final de 1V/e (esto se logra generalmente en alrededor de 6 hs), sirviendo a su vez como una descarga profunda con el nivel necesario para eliminar el fenómeno de memoria. Una vez hecho esto, la segunda descarga se utiliza nuevamente para realizar una prueba de capacidad, con todas las mediciones realizadas en la primera. Pero esta vez, la segunda descarga se realiza bajo los parámetros de la nueva metodología, ya que la batería tiene una descarga previa que eliminó el efecto memoria (la primera descarga). Así, las mediciones de capacidad en ambas descargas sirven para comparar cuales son los resultados por ambos métodos, sin necesidad de realizar ambas metodologías por separado, lo cual simplifica enormemente la comparación y ahorra tiempo. En el apartado de Anexos del trabajo (Tabla 1), se muestran los valores de tensión total de la batería, en cada hora de la descarga, y separado entre la primera y la segunda descarga, durante ambas pruebas de capacidad, para poder comparar rápidamente los rendimientos por ambos métodos. Además, en la fila marcada como %, se indica la mejora porcentual en la tensión final en cada hora, una vez eliminado el efecto memoria, tomando como base la descarga inicial. Si bien en esta tabla no se agregan valores de la capacidad medida de la batería, los valores medidos de tensión permiten ver el estado de la misma. La implementación de la metodología propuesta ha implicado la realización de la totalidad de las tareas en 4 jornadas (incorporando un día a la metodología original), debido a que la descarga inicial a realizar antes de la prueba de capacidad propiamente dicha, conlleva una jornada más de trabajo.

5 En base a esto, las tareas se han debido reacomodar de forma tal que en la primera jornada se conecta la batería de reserva y se realiza la descarga inicial hasta 1V/e, lo cual en general se ha logrado en alrededor de 5 o 6 horas de descarga. Los resultados obtenidos sobre la muestra evaluada indican una mejora promedio en el rendimiento de las baterías del 3,6%, en el mejor de los casos del 4,8%, para la primera hora. Esto se observa comparando los valores finales de tensión de descarga entre la primera descarga a 1V/e (la cual antes no se realizaba), y la segunda descarga, en la cual se verifica un aumento de la capacidad y la tensión. Información disponible a nivel internacional sobre metodologías para eliminar las consecuencias del Efecto Memoria, indica que efectuando una cantidad de cargas y descargas parciales para generar el efecto memoria sobre baterías nuevas, puede alcanzarse, luego de una descarga profunda para eliminar dicho efecto, una mejora en el desempeño de las baterías que en el mejor de los casos será del 16% [1, 2]. Según la literatura de distintos fabricantes, esta mejora en su desempeño se extendería por unos tres meses luego de los cuales debería efectuarse un nuevo ciclado, dado que por condiciones operativas en las SS.EE. de EDENOR, normalmente su funcionamiento es en flote y no en flote / fondo, siendo la operación en fondo solo ante la ocurrencia de hechos excepcionales, tales como eventos, falta de alimentación de tensión alterna, etc. 5. Diferencias, ventajas y desventajas de ambas metodología La principal ventaja de la metodología propuesta es que se ha comprobado que ante la descarga inicial efectuada a este tipo de baterías, el rendimiento de la misma se incrementa, si bien no es el incremento esperado. Este procedimiento toma lo indicado en la Norma IEC-60623, que establece que, ante la descarga de la batería con propósito de chequeos eléctricos como una prueba de capacidad, se debe realizar la descarga de las celdas, a una corriente constante del 20% de la corriente total hasta una tensión final de 1,0V/e. Sin embargo, descargar la batería hasta 1,0V/e, implica una demora importante en horas con respecto a la metodología original, lo que retrasa notablemente la descarga inicial y la posterior recarga, ya que no todos los elementos de una batería alcanzan el valor final de tensión de descarga (1,0V/e) al mismo tiempo. Es por ello que se debió llegar a una solución de compromiso entre la cantidad de celdas que alcanzan el valor deseado 4 y el tiempo necesario para ello, y se determinó que se termina la descarga inicial cuando alrededor del 50% de los elementos alcanzan 1,0V/e (esto es alrededor de 80 celdas). También genera una demora importante la recarga de las baterías, que por su antigüedad no alcanzan una carga adecuada en los tiempos referidos por la Norma IEC (entre 7 y 8 hs). Por otra parte, también se introduce una demora previo comenzar la descarga final, debido al tiempo que se debe esperar con la batería en reposo hasta que la misma alcance valores de tensiones de flote luego de la recarga inicial. También en este caso debió llegarse a una solución de compromiso para el inicio de la descarga final. Más allá de lo anterior, una de las principales desventajas es el incremento de los tiempos de intervención por mantenimiento de cada batería. Realizar las pruebas de capacidad con esta nueva metodología implica agregar un día más de trabajo, pasando de 3 a 4 jornadas, lo que a lo largo de todo el año, tiene incidencia sobre el normal desarrollo de las acciones del plan de mantenimiento. Esto marca un importante factor en contra de la nueva metodología, teniendo en cuenta el bajo incremento del rendimiento logrado con el nuevo método. Acciones Propuestas En base a lo hasta aquí desarrollado, teniendo en cuenta que la ejecución de una descarga profunda permite eliminar el Efecto Memoria de estas baterías, aunque sin embargo, no resultan compatibles el aumento de los recursos requeridos con los resultados obtenidos, es que se concluye la conveniencia de la aplicación de la metodología original, es decir descargar con una corriente It del 20 % de la capacidad nominal, pero extendiendo la descarga hasta alcanzar 1,0V/e, realizando, como era históricamente, una única descarga y recarga de la batería. Con esta metodología de síntesis, se alcanzará la descarga completa, es decir hasta 1,0V/e, como pide la norma y la bibliografía del fabricante, de modo de eliminar el Efecto Memoria, manteniendo en 3 jornadas los tiempos de intervención, como en la metodología original. 6. Conclusiones Si bien con el procedimiento de descarga profunda y posterior recarga, que elimina el Efecto Memoria, se logra una mejora en la performance de las baterías, este incremento no es tan importante en relación al aumento en la cantidad de horas de intervención, que aumenta considerablemente.

6 Considerando que la batería alcanza su peor estado de Memoria en alrededor de 3 meses, una medición de su rendimiento con la nueva metodología brindará un dato de capacidad que en la mayoría de los casos, ante un evento con entrada en funcionamiento de la batería, no sería representativo de la verdadera condición, ya que estaría nuevamente con una memoria que le impediría entregar la totalidad de la capacidad medida. La incorporación de una jornada adicional, ocasiona una importante dificultad operativa al normal desarrollo del Plan de Mantenimiento, con las dificultades y limitaciones que en el actual contexto esto implica. Es decir, como se mencionó en la sección anterior, elevar la cantidad de jornadas en el mantenimiento de un equipo resta disponibilidad para el mantenimiento de otros. En base a las Acciones Propuestas en el punto anterior, se logra una síntesis que incorpora las mejoras de la nueva metodología, manteniendo los tiempos de trabajo de la metodología original, lo cual demuestra, según los resultados, ser lo más conveniente desde el punto de vista costo beneficio. Referencias [1] IEC (2001): Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes Vented nickel-cadmium prismatic rechargeable single cells. [2] Viera Perez, Juan Carlos. Carga Rápida de Baterías de Ni-Cd y Ni-MH de Media y Gran Capacidad. Análisis, Síntesis y Comparación de Nuevos Métodos. Tesis de Doctorado, Universidad de Oviedo (2003). [3] Salvó, Germán; Soria, Leandro. Influencia del Método de Carga en la Performance de Baterías de Ni-Cd. CIDEL (2006). [4] Shukla A. K.; Martha S. K. Electrochemical Power Sources 1. Rechargeable Batteries. (2001). 5

7 Tabla 1 Comparación de Rendimientos en Pruebas de Capacidad para ambos Métodos SE SE047 - AGRONOMIA - Batería N 1 SE256 - CATONAS SE063 - CASANOVA - Antigüedad SE260 - DERQUI 14 SE169 - MALVINAS - SE160 - RODRIGUEZ - SE057 - EDISON - SE057 - EDISON - Batería N 1 SE351 - SAN FERNANDO SE8 - PILAR Descarga N Rendimiento [V] 1 hora 2 hora 3 hora 4 hora 5 hora % % % % % % % % % %