ESPECIALIDAD: INGENIERIA ELECTRICA

Transcripción

1 MEXICO ALUMBRADO DE VIALIDADES TRABAJO DE INGRESO COMO MIEMBRO DE LA ACADEMIA DE INGENIERÍA ESPECIALIDAD: INGENIERIA ELECTRICA Juan Francisco Espino del Pozo Ingeniero Mecánico Electricista 24 de Mayo de 2007

2 CONTENIDO Página Resumen ejecutivo 3 1 Introducción 5 2 Breve Historia 6 3 Eficacia 13 4 Eficiencia 17 5 Calidad de un Alumbrado de Vialidades 27 6 Consideraciones para el diseño 34 7 Continuidad del servicio y Mantenimiento 38 Bibliografía 40 ANEXOS I Diagramas 41 II Fotografías 45 Especialidad: Ingeniería Eléctrica 2

3 RESUMEN EJECUTIVO El alumbrado de vialidades es una de las más importantes demandas ciudadanas; de este depende la seguridad nocturna en las calles, para peatones y conductores de vehículos; las Autoridades Municipales de las que depende, tienen que afrontar la inversión en equipo e instalación, el costo de la energía eléctrica de la que depende su operación y el gasto de mantenimiento para dar continuidad de servicio, con gran sacrificio de su presupuesto. Únicamente con el empleo de nuevas tecnologías y desarrollos tecnológicos, con el uso de equipos más eficientes que permitan el máximo ahorro de energía sin afectar el desempeño, es posible que los Municipios proporcionen el servicio sin deficiencias. Este trabajo trata de repasar los elementos que lo componen y así crear conciencia del cuidado que debe tener su selección, tomando en cuenta que se trata de un servicio público que reviste una primordial importancia en la seguridad ciudadana, que además incide de manera importante en el consumo de energía eléctrica y por consecuencia en el gasto público, por lo que su diseño y manejo deben ser considerados con la máxima eficacia, eficiencia y calidad, usando de todos los respaldos que los desarrollos de Ingeniería nos permiten y que conduzcan a su excelencia. El desarrollo empieza por una breve semblanza histórica del alumbrado público, que permita situarnos en su problemática, iniciando por la eficacia de las fuentes luminosas, convencionalmente definida para una lámpara como conversión en flujo luminoso (lumen (lm)) por unidad de potencia eléctrica (W), (Le Systeme Internacional d Unités, (SI)), continuando con la eficiencia en el aprovechamiento máximo del flujo luminoso, esto es, mediante el uso de la óptica en un luminario colocado a una altura conveniente, enviar ese flujo hacia la vialidad, finalmente, integrado un sistema de alumbrado por una lámpara, un luminario, los accesorios necesarios para su operación, control y alimentación, obtener el mayor rendimiento de la conducción de la energía eléctrica al sistema, mostrando al fin, como la calidad del alumbrado y seguridad para los usuarios queda garantizada adecuadamente. Como conclusión se señalan consideraciones para su diseño y para la continuidad del servicio y mantenimiento del mismo. Palabras clave: 1. Introducción Las cifras obtenidas por el FIDE permiten respaldar la importancia del servicio de Alumbrado de Vialidades, sobre todo por el impacto económico en los presupuestos Municipales y el ambiental por el consumo energético. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 3

4 2. Breve historia Breve historia de las fuentes luminosas. Breve historia del alumbrado de vialidades en la Ciudad de Puebla. Historia del comportamiento del consumo eléctrico empleado en el alumbrado público. Todo esto con el propósito de establecer las bases sobre la problemática del alumbrado de vialidades. 3. Eficacia Definida como la capacidad de las lámparas de convertir energía eléctrica en luz. Se recorren todas las fuentes de iluminación de las que por el momento se dispone para resolver el problema de alumbrado de vialidades en particular, destacando las cualidades y los problemas en cada una de ellas. 4. Eficiencia Definida como el máximo aprovechamiento del flujo luminoso con el mínimo de energía eléctrica consumida. En el alumbrado de vialidades no es posible, como se comprende, utilizar una lámpara sin ninguna protección, como tampoco conviene desaprovechar el control que puede hacerse del flujo luminoso utilizando principios básicos de la óptica. El luminario proporciona ambas posibilidades de modo que en este trabajo se comentan características de estos, así como las de los equipos auxiliares, balastros, líneas alimentadoras y controles. 5. Calidad Probablemente se pueden lograr resultados espectaculares en los dos puntos anteriores, pero no debe olvidarse que se requiere de muchos otros detalles que finalmente permiten calificar la calidad de un alumbrado instalado en vialidades, sujeto a innumerables condiciones de servicio adversas y que tiene la finalidad de proporcionar siempre la mayor seguridad y confort a los usuarios. En este punto se señalan características que permiten calificar la calidad de un alumbrado como son: nivel de iluminación, uniformidad, percepción, factor de utilización, deslumbramiento, alumbrado del entorno, además de manera general la eficacia y la eficiencia. 6. Consideraciones de diseño Una primera conclusión de todo lo señalado en este trabajo es realizar un diseño considerando los detalles comentados en los puntos anteriores. 7. Continuidad del servicio y mantenimiento Esta segunda conclusión resume muchas experiencias vividas al frente del servicio de alumbrado de vialidades en la Ciudad de Puebla, destacando dos recomendaciones fundamentales: para dar mantenimiento a luminarios lo mejor, más efectivo, eficiente y económico es sustituirlo en las alturas por otro igual puesto a punto en un laboratorio en tierra, así como nunca olvidar que actualmente la mejor información sobre el comportamiento del alumbrado es proporcionada por los vecinos para lo cual es de vital importancia mantener abiertos todos los canales de comunicación posibles. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 4

5 1. INTRODUCCIÓN. El conocimiento de cada uno de los elementos que conforman el Alumbrado de Vialidades es la mejor oportunidad para lograr una solución eficiente en cuanto al consumo de energía eléctrica y económica en cuanto a su instalación. Una muy importante demanda ciudadana a las Autoridades Municipales es sin duda el ALUMBRADO por estar ligado 100% a la seguridad nocturna del tránsito peatonal y vehicular. Por otra parte los costos de instalación, operación y mantenimiento absorben una gran parte del presupuesto municipal, responsabilidad que obliga a las Autoridades a tratar de reducir este costo, para lo cual deben hacer uso de los sistemas de alumbrado de Vialidades más adecuados, sustentados en las tecnologías más avanzadas y aplicadas con los más amplios criterios técnicos y económicos para resolver sus necesidades. En cifras del FIDE durante el pasado 2006 se consumieron 4302 GWh de energía eléctrica con un importe aproximado de $7000 millones de pesos, impacto económico que se reduciría considerablemente con proyectos de sistemas de alumbrado que incluyan soluciones con desarrollos tecnológicos para ahorro de energía. Por lo que representa en nuestros días el ALUMBRADO DE VIALIDADES requiere del conocimiento amplio de los elementos que lo integran; sin embargo, esta especialidad en la generalidad de los casos se practica sin un análisis profundo de su aplicación a pesar de su importancia. El alumbrado de una calle para el común de la gente significa: presentarse en una tienda para comprar uno o varios luminarios con sus lámparas, buscar como y en donde colocarlos y simplemente conectarlos a la energía eléctrica y ya lo tiene. Este trabajo sobre ALUMBRADO DE VIALIDADES presentara los puntos fundamentales que deben tomarse en cuenta para lograr resultados eficientes y con la calidad deseada, como son: Eficacia lumínica de las fuentes de luz; valor básico en un proyecto para ahorro de energía. Eficiencia luminosa y energética; máximo desempeño y aprovechamiento del flujo luminoso y de la alimentación eléctrica. Calidad del alumbrado; Nivel de Iluminación, Uniformidad, Confort, para la seguridad de peatones y vehículos. Consideraciones para un diseño; conclusión de los puntos anteriores para la máxima seguridad, máximo ahorro de energía y menor costo de inversión y mantenimiento. Continuidad de servicio y Mantenimiento; garantía de operación. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 5

6 2. BREVE HISTORIA Para facilitar la comprensión de este trabajo es importante conocer un poco de la historia, aunque sea en forma breve, tanto de lo que ha sido el desarrollo de las fuentes de iluminación como del propio alumbrado de vialidades, considerando el que ha estado mas cercano a mi, como es el de las vialidades de la Ciudad de Puebla y un poco también de las relaciones de este servicio con los consumos de energía eléctrica que nos permiten tener una idea en donde nos encontramos en nuestros días. 2.1 Fuentes luminosas Desde tiempo inmemorial el hombre ha usado sistemas artificiales de iluminación, con objeto de prolongar su tiempo de actividad más allá de lo que nos permite la iluminación natural de la luz del día Tradicionalmente se usó la luz producida por la combustión, (del aceite o del gas, por ejemplo), pero con la utilización de la energía eléctrica, con la posibilidad de producir luz por descarga de arco eléctrico o por incandescencia se obtuvo una gran facilidad para disponer ventajosamente de fuentes luminosas activadas eléctricamente, con lo cual se da comienzo a un desarrollo muy importante de la iluminación eléctrica como servicio público. Desde 1880 hasta más o menos 1915 se desarrollo en la práctica el alumbrado público teniendo como base principalmente lámparas de arco con electrodos de carbón. Con grandes ventajas técnico-económicas los focos incandescentes sustituyeron paulatinamente a las lámparas de arco; a partir de 1915, los alumbrados en vialidades, cobran gran importancia pues los focos incandescentes permiten su colocación en postes altos, al no tener que estar cambiando electrodos continuamente (cada 24 horas), obteniendo de esta manera una buena uniformidad de la iluminación. Desde 1915 hasta 1955 se desarrollo el empleo de luminarios usando los principios de reflexión y refracción para mejorar la utilización de las lámparas incandescentes, desplazando a las de arco, al mejorarse notablemente su eficacia y su vida útil, alcanzando con el manejo de la intensidad luminosa a través de un reflector y un refractor formando parte del luminario, una adecuada aplicación de la iluminación sobre la vialidad. De 1955 a 1962 se emplearon lámparas fluorescentes por la gran mejora de eficacia luminosa y vida útil pasando de unos 15 a 20 lumen/watt y 1000 horas de vida útil de Especialidad: Ingeniería Eléctrica 6

7 las lámparas incandescentes a unos 40 a 60 lumen/watt y 6000 a 8000 horas de vida útil de las fluorescentes. Desgraciadamente por la forma de tubo largo de la lámpara fluorescente y teniendo los contactos muy débiles en los extremos, las luminarios presentan problemas físicos muy difíciles de solucionar al ser colocadas en la punta de un poste sujeto a vibraciones, presión del viento y a las inclemencias de la intemperie, por lo que esta forma de alumbrado rápidamente se abandonó en el alumbrado de vialidades. A partir de 1962 se logro un gran avance tecnológico en las lámparas de vapor de mercurio con espectro mejorado, sobre todo en la corrección del color, con lo cual se inicia un verdadero cambio que privilegió la calidad y eficiencia en el alumbrado público de vialidades. Se alcanzaba una vida útil de horas con una eficacia de unos 56 lumen/watt iniciales y de 40 lumen/watt al final de su vida que podría llegar de horas y hasta las horas de vida útil. Desde 1978 se cuenta con un tipo de lámpara de vapor de sodio de alta presión (V.S.A.P.) cuyas características técnicas son: un gran rendimiento luminoso de entre 105 y 110 lumen/watt y vida útil de horas; originalmente se tenia como único inconveniente su color amarillento de espectro muy limitado de baja calidad, que se ha mejorado con lámparas de espectro compensado. Actualmente se cuenta también con lámparas de aditivos metálicos que pueden tener una gran gama de color corregido desde los blancos conocidos como luz de día hasta colores calidos que prácticamente no deforman los colores naturales y con un buen rendimiento luminoso de unos 80 a 90 lumen/watt y una vida útil del orden de a horas. 2.2 Historia del alumbrado eléctrico en la Ciudad de Puebla De todas las instalaciones que existen en ese año en toda la República, la más notable sin duda es la de la Ciudad de Puebla. Se tenían 100 luminarios de arco de 1200 bujías (15000 Lm), 6,8A, 54V, 360 VA (Watt) cada una, en tres circuitos serie, que recorren 14 km, esto es, 28 km de longitud por circuito, desde la central equipada con una turbina hidráulica doble de 180 caballos, aprovechando una caída artificial de 10m de altura situada sobre el Río Atoyac en los terrenos de Echeverría propiedad del Sr. D. Sebastián B. Mier; la turbina accionaba a tres dinamos del sistema Thompson Houston de 2200V nominales entre terminales, con capacidad para 50 lámparas de arco cada uno, cada dinamo tiene su circuito separado, la energía se transportaba por líneas aéreas al centro de la ciudad, 6 hilos de un calibre equivalente a #8. Esta central fue la primera hidroeléctrica construida ex profeso para proporcionar un servicio público de Energía Eléctrica Don Francisco de Velasco ordenó la instalación de 140 luminarios ornamentales de 5 luces incandescentes conocidos como Dragones, foco de 20 Watt a 120 Volt, instalación subterránea, todo con cables armados, con 100 W/dragón para el zócalo y principales avenidas con el arreglo conocido como tres bolillo, esto es, alternado en ambas aceras. La energía era proporcionada por un generador de corriente directa movido por motor de vapor desde la Compañía de Alumbrado Eléctrico, Nopalito (8 poniente y 11 norte), recorriendo la Avenida Reforma hasta el zócalo. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 7

8 La Cía. de Tranvías Luz y Fuerza de Puebla, convirtió el resto del alumbrado de la ciudad, de serie CD. a serie CA del tipo de corriente constante y voltaje variable en los extremos de la serie según la carga de 425 unidades repartidos en 9 circuitos, para cubrir los cruceros y con unidades a mitad de calle, 500 W/unidad, alimentados todos desde La Receptora, Subestación ubicada en la 18 Poniente y 19 Norte Se instalan faroles con refractor tipo Hollywood en algunas calles del centro de la ciudad como la 2 oriente-poniente, la 3 oriente-poniente y algunos fraccionamientos como San Francisco, colonia el Carmen, Chula Vista y en 1948 la muy moderna colonia La Paz Se instalan 60 unidades de vapor de mercurio de 400 Watt a 9 m de altura, con poste, pedestal, luminario de reflector y refractor, reactor y lámpara importados, pero debido al color verde del mercurial de entonces, con espectro limitado de muy poca calidad de luz, se consideró un fracaso Se instalaron 2500 unidades fluorescentes a 6 m de altura en postes tipo látigo, en toda la ciudad de Puebla en obras por cooperación y apoyo de los Gobiernos del Estado y Federal, para las fiestas del Centenario de la Batalla del 5 de Mayo Se instalaron 3500 unidades mercuriales (nuevo tipo color con espectro corregido) de 400 Watt, reactor autorregulado, en obras por cooperación, con pedestal, poste de 8 m y brazo de 1,8 m e instalación subterránea, proporcionando un nivel luminoso promedio mantenido de 14 lux con una distancia entre postes de 30 a 35 m Se convirtió parte del alumbrado y se instaló nuevo con 250 Watt vapor de mercurio, gracias a la mejora de la eficacia luminosa en las lámparas de vapor de mercurio Se empieza a usar unidades con lámparas de vapor de sodio de alta presión (V.S.A.P.), inicialmente sin mucha aceptación, pero con el tiempo se fue apreciando la mejora en el nivel luminoso con lo que se gano la aceptación general Se instalan lámparas de vapor de sodio de baja presión tipo dedo de oro de 55 Watt de gran eficacia pero por su color anaranjado monocromático fueron un gran fracaso puesto que se instalaron en calles muy céntricas y muy concurridas, olvidando que su principal aplicación es en carreteras Se construyen sistemas de alumbrado con alimentación subterránea, poste metálico de 9 metros unitario (sin pedestal y con el brazo para el montaje del luminario integrado), con luminarios de alta eficiencia V.S.A.P. de 250 Watt, distancias interpostales promedio de 35 m + ó - 10%, como norma para todo el municipio. Para este entonces se tenían instalados luminarios. 1984, 1985, Se sustituyen sistemas provisionales de alumbrado mercurial de 250W y tipo dedo de oro de 55W, por sistemas modernos de alta eficiencia y largo rendimiento con unidades de V.S.A.P. 250W, teniéndose a finales de 1986, 4300 unidades sustituidas y 6600 unidades en obra nueva En este año se tenía un inventario de equipo instalado formado por: Especialidad: Ingeniería Eléctrica 8

9 256 Postes tipo Dragón 1974 Faroles coloniales 954 Otros Faroles y unidades de ornato 2532 Postes de doble brazo en avenidas con camellón Postes sencillos 3200 Unidades en postes de la CFE TOTAL de unidades 8887 kw de carga total instalada 1992 en adelante.- Se instalan unidades de 150 W, programa Solidaridad en postes de CFE, se inicia programa de sustitución de unidades de 250 W V.S.A.P. por unidades de 150 W V.S.A.P. para ahorro de energía. 2.3 Relación del Alumbrado de Vialidades con Consumos de Energía Para considerar la importancia que tiene el Alumbrado Público como consumidor de energía eléctrica a continuación se presenta una tabla con los consumos anuales en MWh, en % del total del consumo de energía eléctrica y en miles de $ pesos MN. corrientes, tanto en cifras de todo el País como especialmente en el estado de Puebla. AÑO NACIONAL ESTADO DE PUEBLA MWh % miles $ MWh % miles $ , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , De estas cifras se desprenden observaciones interesantes: en primer lugar se observa que para el alumbrado de vialidades se tiene a nivel Nacional un promedio aproximado al 2,5% del consumo total de la energía eléctrica, lo cual indica la importancia de su operación eficiente, también se observa que su costo es cercano a los 7000 millones de pesos/año, tomando en cuenta que el consumo doméstico Nacional es del orden de MWh anuales quiere decir que aproximadamente un equivalente al 10% del consumo domestico ( MWh) se usa para el Alumbrado de Vialidades, por otra parte si se considera un promedio de 200 Especialidad: Ingeniería Eléctrica 9

10 W/luminario se tiene como mínimo alrededor de de luminarios instalados en el País, conservadoramente corresponden a unos km de vialidades iluminadas. En segundo lugar existe un punto muy importante; dado que la mayoría de los consumos por concepto de alumbrado público no son medidos sino que se estiman basados en la cantidad de luminarios, su capacidad, pérdidas estimadas del orden del 25% y un tiempo de uso de 12 h diarias por 365 días al año, lo cual dista mucho del consumo real si este fuera medido. El fundamento para el cobro se encuentra en el reglamento para la aplicación de las tarifas 5 y 5 A para Alumbrado Público que dice: Tarifa 5 ( ) Servicio para alumbrado público 1.- Aplicación Esta tarifa sólo se aplicará al suministro de energía eléctrica para el servicio a semáforos, alumbrado y alumbrado ornamental por temporadas, de calles, plazas, parques y jardines públicos. En las zonas conurbadas del Distrito Federal, Monterrey y Guadalajara, definiéndose éstas como las señaladas en la Segunda Resolución de la Secretaría de Hacienda y Crédito Público, que reforma y adiciona a la que establece reglas generales y otras disposiciones de carácter fiscal para el año de 1989, en su regla 81-A, y en al Cuarta Resolución que reforma, adiciona y deroga algunas disposiciones de la que establece reglas generales y otras disposiciones de carácter fiscal para el año de 1989, publicadas en el Diario Oficial de la Federación, los días 2 de mayo y 26 de junio de 1989, respectivamente. Los puntos siguientes son iguales a los de la Tarifa 5-A excepto en el costo que es de: Tarifa 5-A ( ) Servicio para alumbrado público 1.- Aplicación Esta tarifa sólo se aplicará al suministro de energía eléctrica para el servicio a semáforos, alumbrado y alumbrado ornamental por temporadas, de calles, plazas, parques y jardines públicos en todo el país exceptuándose las circunscripciones para las cuales rige la tarifa Horario Del anochecer al amanecer del día siguiente, excepto el servicio a semáforos; o el que se establezca en los convenios que en cada caso suscriban las partes Especialidad: Ingeniería Eléctrica 10

11 contratantes. 3.- Cuotas aplicables en el mes de MARZO de Cargo por la energía consumida en los servicios suministrados en media tensión $ Por cada kilowatt-hora. 3.2 Cargo por la energía consumida en los servicios suministrados en baja tensión $ Por cada kilowatt-hora. 4.- Mínimo mensual La cantidad que resulte de aplicar las cuotas correspondientes al consumo equivalente a 4 horas diarias del servicio de la demanda contratada. 5.- Consumo de energía Normalmente se medirán los consumos de energía, aunque en los contratos respectivos se establecerán el o los procedimientos para determinar el consumo de energía, de acuerdo con las características en que se efectúe el suministro de servicio y de conformidad con las normas aplicables. 6.- Demanda por contratar La demanda por contratar corresponderá al 100% de la carga conectada. Cualquier fracción de kilowatt se tomará como kilowatt completo. 7.- Reposición de lámparas El prestador del servicio deberá reponer las lámparas, los aparatos y materiales accesorios que requiera la operación de las mismas. Tratándose de alumbrado público, cuando el suministrador esté de acuerdo en tomar a su cargo la reposición de las lámparas y dispositivos necesarios, se fijará en los contratos la forma para el cobro de los gastos que origine este servicio adicional al del suministro de energía. 8.- Depósito de garantía Será 4 veces el mínimo mensual aplicable. Nota: Se continuará con la aplicación de un factor de ajuste mensual acumulativo de establecido en el ARTÍCULO SEGUNDO del acuerdo publicado en el Diario Oficial de la Federación el 17 de enero del En todos los casos los ajustes mensuales serán aplicados a partir del día primero de cada mes Es muy importante destacar lo señalado en el punto 5 que dice normalmente se medirán los consumos de energía. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 11

12 En el caso de la Ciudad de Puebla el cobro del consumo se determina por convenio y he podido comprobar, mediante un estudio y aplicando mediciones en algunos circuitos típicos, que si se midieran los consumos de energía se tendría una reducción en el cobro del orden de un 30%. En tercer lugar los adelantos tecnológicos en materia de alumbrado deben de haber permitido reducir el consumo de energía en el alumbrado de vialidades reflejado por lo menos en la carga conectada y por lo tanto también en las cifras de las tablas presentadas. Para el caso del Estado de Puebla por ejemplo: el incremento en consumo de 1988 a 2005 es del orden del 78%. Sin embargo, en el mismo periodo el inventario de luminarios instalados creció en una proporción mayor hasta cerca del 240% pues actualmente se tiene instaladas unas unidades para la Ciudad de Puebla, lo cual indica claramente el mejoramiento en la eficacia y eficiencia del alumbrado público. En el caso del consumo Nacional, este creció alrededor de un 44% en el consumo para el mismo período aunque seguramente el inventario de luminarios debe haber crecido en una mayor proporción. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 12

13 3. EFICACIA. El elemento básico de un alumbrado es la fuente luminosa y de esta el flujo luminoso emitido por ella al ser alimentada por energía eléctrica, la eficacia de la conversión de la energía eléctrica en luz representa el punto fundamental de al aplicarse en el alumbrado de vialidades, con el fin de obtener el máximo flujo luminoso con el menor consumo de energía eléctrica. A continuación se presenta una lista de lámparas que podrían aplicarse al alumbrado de vialidades y algunos comentarios sobre sus características. 3.1 Lámparas incandescentes. Aún cuando el uso y aplicación de las lámparas incandescentes no es recomendable para el alumbrado de vialidades debido al alto consumo de energía, eficacia de 20 Lm/W y corta vida útil de 1000 h con tensión eléctrica adecuada, en su presentación común que todos conocemos como foco, los últimos desarrollos de la tecnología han logrado mejoras que van de un 10% a un 15% en eficacia y hasta 2500 h de vida útil trabajando siempre a una tensión eléctrica adecuada. Por su bajo costo inicial y facilidad de montaje puede ser interesante considerar su aplicación previo estudio para alumbrado de andadores. 3.2 Lámparas de cuarzo halógenas. Actualmente este tipo de lámparas, cuya aplicación es directamente en luminarios tipo reflector, ha alcanzado un grado de desarrollo que permite considerarlos para aplicaciones muy especiales en vialidades. Existen en dos potencias tradicionales que antes se conocían como de 500 W y de 1500 W. Los nuevos tipos proporcionan el mismo flujo luminoso nominal por Watt pero en potencias de 350 W y 900 W respectivamente con una vida útil nominal (esto es con tensión adecuada) de 2000 h, de hecho se ha mejorado su eficacia a 30 y 35 Lm/W respectivamente, existiendo ahora presentaciones en 100 W y 150 W. 3.3 Lámparas fluorescentes. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 13

14 Muy populares en los alumbrados comerciales sin embargo como ya se señalo poco aplicables en el alumbrado de vialidades en su forma de tubo largo. Con el desarrollo de las lámparas fluorescentes compactas que tienen dimensiones casi semejantes a las de los focos incandescentes comunes incluyendo su balastro, este tipo de lámparas comienza a tomar un papel importante para ser consideradas en alumbrado de vialidades peatonales o vialidades muy especiales como pueden ser barrios residenciales con faroles tipo colonial. La eficacia de este tipo de lámparas puede fluctuar entre 57 Lm/W y 64 Lm/W con una vida útil nominal de h a h en potencias de 26 W, 32 W, 42 W, 57 W y 72 W. con flujos luminosos promedio de 1500 Lm, 1850 Lm, 2690 Lm, 3440 Lm, 4160 Lm, respectivamente y en colores con espectro corregido en varias opciones desde el blanco conocido como luz de día hasta los colores de luz cálida (amarilla). Otra característica que las hace atractivas es su facilidad de instalación pues como ya se menciono el balastro forma parte integral de la lámpara. 3.4 Lámparas de descarga de alta intensidad (H.I.D.). Ya se menciono que este nuevo tipo de lámparas hizo posible el desarrollo de las instalaciones de los servicios públicos del alumbrado en vialidades, los primeros desarrollos fueron a base de descarga en un recipiente a presión (un pequeño bulbo) con una gota de mercurio creando una fuente luminosa de alto flujo y buena efectividad, el cual se encuentra soportado en otro bulbo y este con un recubrimiento fluorescente para corregir el espectro del color emitido por el vapor de mercurio. El desarrollo de este tipo de lámparas lleva cada día a nuevas mejoras en la eficacia; mayor conversión de energía eléctrica en flujo luminoso; de valores de 40 Lm/W en un principio a valores de 110 Lm/W en la actualidad, con una vida útil nominal para este tipo de lámparas de hasta h. Las lámparas de vapor de sodio también pertenecen a este tipo; son las más usadas para alumbrar vialidades por tres razones principales: 1.- Gran eficacia = más flujo luminoso por potencia consumida Lumen/Watt 2.- Larga vida útil nominal con baja depreciación de su flujo luminoso Lm = costo de operación bajo 3.- Fuente luminosa compacta = facilita el control de la luz en el luminario Vapor de mercurio. Actualmente este tipo de lámparas esta prácticamente en desuso por su relativamente baja eficacia 40 Lm/W a 52 Lm/W, y la relativamente alta depreciación luminosa de hasta el 40% de su flujo contra su vida útil nominal del orden de h; sin Especialidad: Ingeniería Eléctrica 14

15 embargo, hay que reconocer que gracias a ellas se ha tenido un desarrollo tecnológico de lámparas en las que se han añadido otros metales con magníficos resultados. Para establecer la corriente en el vapor de mercurio se emplea un electrodo de arranque cercano a uno de los electrodos de trabajo con lo que se facilita que la gota de mercurio inicie el arco eléctrico y se empiece a evaporar, cuando ya se ha arrancado el arco y el mercurio se encuentra en forma de vapor, se desconecta el electrodo de arranque mediante un interruptor bimetálico, y se conecta la alimentación al otro electrodo de trabajo Aditivos metálicos. La adición de algunos metales en el bulbo con mercurio ha permitido mejorar la eficacia y la calidad del espectro luminoso (color) en las lámparas de descarga de alta intensidad H.I.D. de modo que en la actualidad se cuentan con un gran número de opciones de diferentes fabricantes en diferentes potencias con eficacias tan variables como de 57 a 83 Lm/W y vida útil nominal desde h hasta h. En este tipo de lámparas es muy importante la posición de su instalación y operación, (ángulo de inclinación de los electrodos con la vertical), pues disminuye su flujo luminoso cuando no se usa en la posición de diseño, por ejemplo si la aplicación es horizontal a 90º de la vertical el flujo disminuye en 6%, si es con un ángulo de 60º con la vertical el flujo disminuye hasta en 12%, también es importante tomar en cuenta su factor de depreciación luminosa que es muy elevado del orden de 65% al final de su ciclo de vida. El último adelanto son las lámparas de aditivos metálicos Pulse Start o Pulse Arc en las cuales se ha sustituido el electrodo de arranque por un arrancador que proporciona una alta tensión del orden de 2000 V en los electrodos de trabajo y una vez establecido el arco se desconecta quedando en funcionamiento solo el balastro, las mejoras en eficacia y menor depreciación son del orden de 15 %. Debe tenerse un gran cuidado en la selección de este tipo de lámparas pues su aplicación en el alumbrado de vialidades nunca resultara ni la solución más eficaz, ni la más económica; sin embargo, resulta una excelente selección para la mayoría de aplicaciones en industrias, centros comerciales o parques deportivos sobre todo por la calidad de color Vapor de Sodio de Alta Presión. El desarrollo de la cerámica en la era espacial ha permitido el uso de materiales que soportan temperaturas del orden de los 2000º C con lo cual es posible evaporar sodio a alta presión teniendo un flujo luminoso con una cromaticidad bastante aceptable y muy alta eficacia. En realidad estas lámparas incluyen en su diseño un alto grado de desarrollo tecnológico que las hacen extremadamente confiables en su operación. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 15

16 La eficacia luminosa desde un mínimo de 82 Lm/W para lámparas de amplio espectro de color hasta 110 Lm/W en las comúnmente empleadas en el alumbrado de vialidades, con h de vida útil nominal y una depreciación del flujo luminoso menor a 10% al final de su vida útil. Las características ya señaladas, aunadas al tamaño del bulbo que permite un fácil manejo del flujo luminoso, permiten comprender porque estas lámparas se mantienen actualmente en la preferencia para ser usadas en el alumbrado de vialidades Vapor de Sodio de Baja Presión. La eficacia en este tipo de lámparas puede alcanzar 183 Lm/W pero debido a que el flujo luminoso es monocromático su aplicación queda restringida únicamente a vialidades con flujo vehicular de alta velocidad, especialmente apropiadas en zonas con neblina, debido a que su luminosidad es la que mejor penetración tiene en este medio. Aún cuando la eficacia luminosa parece muy atractiva debe tomarse en cuenta que su vida útil nominal es del orden de h, así como su débil construcción física por tratarse de una U en vidrio de gran longitud con contactos en los extremos, requiriendo un soporte cuidadoso para resistir las condiciones de operación a la intemperie y expuestas a vibraciones del tráfico y el viento. 3.5 Diodo emisor de luz (LED). Es un dispositivo semiconductor que emite luz monocromática cuando se polariza en directa y es atravesado por la corriente eléctrica. El color depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar desde el ultravioleta pasando por el espectro de luz visible hasta el infrarrojo. El flujo luminoso es puntual. Por el momento su uso más importante es en la señalización vial, semáforos y rutas, con gran ventaja por el flujo dirigido que emiten, permitiendo un total aprovechamiento de la luz emitida, también se usa con gran ventaja en el alumbrado de ornato, su eficacia es muy variada desde 15 lm/w hasta 60 lm/w, pero su vida útil puede llegar hasta h. Con lo atractivo de sus características existe un gran empeño para desarrollar aplicaciones útiles en el alumbrado de vialidades. 3.6 Lámparas de Inducción. Son lámparas sin electrodos que usan un campo electromagnético para iniciar y mantener la descarga, este campo es generado por un equipo de radio frecuencia que envía una corriente eléctrica a una bobina de inducción que genera el campo que excita al gas mercurio produciendo el mismo efecto que en las lámparas fluorescentes. Sus características son muy semejantes, su gran ventaja es una vida útil de hasta h, una desventaja es la posible interferencia electromagnética que genera y requiere de luminario especial. Existen en potencias de 55 W, 85 W y 135 W. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 16

17 4. EFICIENCIA. Después del recorrido por las fuentes luminosas de las que se dispone actualmente, y que representan la evolución paulatina de la tecnología en materia de fuentes luminosas durante cien años para alumbrar vialidades, es necesario tomar en consideración la eficiencia en el sistema de alumbrado completo. En primer lugar tomaremos en consideración la eficiencia en el flujo luminoso procedente de una fuente, sobre la vialidad que se desea alumbrar, para lo cual se requiere de un luminario. En segundo lugar se considera la eficiencia de los equipos auxiliares indispensables necesarios para alimentar las lámparas para su adecuada operación, balastros en las que estos son necesarios. En tercer lugar tener es importante la eficiencia en la instalación eléctrica, desde un punto de acometida hasta todos los equipos de alumbrado, por medio de conductores eléctricos (alambrado) formando circuitos, cada uno con su protección y control de encendido y apagado. 4.1 Luminarios. Ya en el resumen histórico se menciono que uno de los primeros pasos en el alumbrado de vialidades consiste en proyectar el flujo luminoso que emite la fuente sobre la vialidad; de acuerdo con los principios de la física se tiene: La reflexión; un rayo luminoso que incide sobre una superficie muy pulida (especular, esto es, refleja lo más cercano al 100% de la luz que incide) se refleja con el mismo ángulo que incidió. La refracción; es el cambio de dirección que experimenta la luz al pasar de un medio a otro, por ejemplo a través de un prisma o en este caso de un cristal apropiado. La difusión; es la fragmentación de un rayo luminoso en múltiples rayos al incidir sobre un reflector mate (no especular), o al atravesar una superficie opaca. Conocemos como luminario un dispositivo en el cual existen los elementos necesarios para sostener y fijar una o varias lámparas y protegerlas, que a su vez contiene Especialidad: Ingeniería Eléctrica 17

18 elementos para sujetarlo en una posición elevada para que distribuya, sea directamente mediante un reflector, un refractor o ambos, y un difusor en su caso, el flujo luminoso de ellas, contando al mismo tiempo con los elementos necesarios para conectarlas a la alimentación eléctrica. A continuación se describen puntos muy importantes que hay que tomar en cuenta, como son: En un nivel técnico: 1.- Necesidad de usar un luminario cerrado. En vialidades siempre será mejor solución el empleo de luminarios cerrados, tomando en cuenta las condiciones de intemperie, lluvia, polvo y contaminación ambiental que influyen directamente en la eficiencia y en el mantenimiento de la iluminación. 2.- Luminario sellado. El uso de luminarios sellados tiene mucho que ver con los materiales empleados y la capacidad de disipación del calor generado por la lámpara y el balastro. En el caso de requerir que este ventilado, se debe observar que las ventilas cuenten con filtros para evitar el ingreso de impurezas, ya que los cambios de temperatura por el ciclo de trabajo de la unidad producen un efecto de flujo de aire hacia adentro o hacia afuera en el luminario Desde el punto de vista óptico. 1.- El tipo y la potencia de la lámpara. Ya se ha señalado en el capítulo anterior la importancia de seleccionar las lámparas de mayor eficacia, con menor depreciación luminosa y mayor vida útil, debe tomarse muy en cuenta su construcción física puesto que nunca faltaran condiciones adversas ya sea atmosféricas como el viento y la lluvia, o vibraciones producidas por el transito de la vialidad. El tipo de fuente luminosa obliga el diseño de la óptica del luminario. 2.- La distribución del flujo luminoso y altura de montaje. Cada fabricante especializado ha creado un luminario que produce una distribución del flujo luminoso adecuado a su aplicación, se tratara de extender el flujo a lo largo y ancho de la vialidad; la intensidad del flujo luminoso siempre estará en función de la altura de montaje, se tratara de evitar toda molestia visual, deslumbramiento, a los usuarios para con esto obtener el máximo confort visual; las curvas de intensidad del flujo luminoso son trazadas en pruebas fotoeléctricas de laboratorio (curvas iso-lx) para cada unidad, de esta manera se facilita la selección. 3.- El factor de utilización. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 18

19 El porcentaje de flujo luminoso que se puede aprovechar en la vialidad tanto en el arroyo como del lado de la acera es presentado en las curvas de las especificaciones correspondientes relacionadas con la altura de montaje y con la distancia transversal de la vialidad; este valor finalmente es la EFICIENCIA LUMINOSA que expresa el grado de aprovechamiento del flujo luminoso de la lámpara a través del luminiario propuesto. 4.- El material y el comportamiento de los dispositivos ópticos. La selección de un buen material apropiado en el reflector y el refractor de un luminario impedirán su rápido deterioro y la necesidad de un pronto reemplazo. 5.- El mantenimiento de las características ópticas. Muy aparejado con el punto anterior esta el mantenimiento de las características y eficiencia del luminario Desde el punto de vista eléctrico y térmico. 1.- La temperaturas de operación de la lámpara y del balastro. Como se ha mencionado el bulbo de una lámpara de vapor de sodio de alta presión puede alcanzar altas temperaturas, de hasta 2000 C, por lo que la envolvente puede llegar a 400ºC; temperatura que se debe tomar en cuenta para el diseño del luminario; igualmente si el luminario tiene incluido el balastro (autobalastrado), se tendrá en cuenta la necesidad de disipar el calor que las pérdidas eléctricas del balastro generan sumadas al calor generado por la lámpara. 2.- Calidad de la lámpara y del balastro. Siempre se debe considerar que el sistema de alumbrado se fundamenta en dos equipos, lámpara y balastro, que son verdaderas piezas de ingeniería, por lo cual se debe investigar a fondo estos equipos, para seleccionar la mejor opción en cuanto a calidad y características de operación y precio. 3.- Calidad y seguridad de los contactos y materiales aislantes. Gran parte de la vida útil de un luminario y de su operación confiable depende de la calidad y seguridad de los materiales y de la construcción del casquillo porta lámpara y de los aislamientos de este, así como de los contactos eléctricos, debe tomarse en cuenta la temperatura de operación de dichos materiales. 4.- Los conductores eléctricos que soporten las altas temperaturas. Nuevamente recordamos que un luminario puede trabajar a muy altas temperaturas por lo que los cables de conexión de los balastros y las lámparas serán especiales, adecuados para trabajar a altas temperaturas Desde el punto de vista mecánico. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 19

20 1.- Dimensiones del luminario y peso. Que tenga las mínimas dimensiones para su correcto funcionamiento tomando en cuenta que se encontrara a una gran altura y sujeto a la acción del viento. 2.- Calidad y tipo de materiales de construcción. Lo menos que se espera de un luminario es una larga vida que seguramente depende del material con que este construido y su resistencia a las inclemencias de la intemperie y también al vandalismo. 3.- Rigidez y robustez del cuerpo del luminario. Como es posible asegurar las características de operación de un luminario si no esta construido con un diseño y materiales que garanticen su rigidez y robustez? 4.- Elementos de fijación. Podría pensarse que este elemento no tiene mayor importancia en la selección de un luminario; sin embargo, hay que tomar en cuenta que se instala a gran altura (casi siempre a 9 m) y casi siempre por una sola persona por lo que una mano se usa en sostenerlo y otra en fijarlo; en fin que no es una tarea fácil y si de un gran riesgo y también este tiempo de fijación representa un costo importante. 5.- Simplicidad y seguridad para las diferentes posiciones del portalámparas. Hay mayor variedad de lámparas y vialidades que de luminarios por lo que la solución propuesta por la mayoría de los fabricantes de luminarios depende de la inclinación del portalámparas respecto del reflector del luminario, así es que la posición correcta generalmente corresponde a ajustes en los elementos del portalámparas, por lo que debe tenerse cuidado que para una solución planeada, estos ajustes deberán ser simples, repetibles y seguros, obteniendo de esta manera óptimos resultados. 6.- Protección de la lámpara y accesorios. Nunca verán una opinión mía a favor de los luminarios conocidos como suburbanos (luminario abierto por abajo) considerados baratos y por supuesto de muy baja calidad, con los que han hecho fracasar infinidad de sistemas de alumbrado de vialidades, como por ejemplo en Chalco, en el Estado de México, que a los tres meses de instalado con lámparas de vapor de sodio de alta presión, más del 50% de las lámparas se habían fundido por la falta de protección de la lámpara junto con el polvo de las vialidades y las inclemencias del tiempo; mucho cuidado, en el alumbrado de vialidades lo barato cuesta caro. 7.- Resistencia a la corrosión y vibraciones. Probablemente en un 90% del tiempo de uso de un sistema de alumbrado de vialidades su operación se desarrolla en condiciones normales por lo que los materiales de que consta el sistema fácilmente resistirán, pero deben tomarse en cuenta las condiciones de operación que pueden presentar situaciones extraordinarias así, la Especialidad: Ingeniería Eléctrica 20

21 flexibilidad propia del acero en un poste de 9 m ocasiona vibraciones originadas ya sea por el viento o por el transito vehicular que pueden presentar condiciones excepcionales críticas. Del mismo modo las lluvias y el propio ambiente pueden producir problemas de corrosión; que decir cuando se instalan sistemas en ambientes muy agresivos a la corrosión como en las orillas de playa y cuando los vientos atacan al luminario en la punta de un poste demasiado débil y flexible, de veras que hay que hacer ingeniería para protegerse en todos estos casos Desde el punto de vista operativo. 1.- La facilidad de reemplazo del luminario. Que mejor que sustituir luminarios que fallan en vez de tratar de investigar la causa de la falla allá en las alturas, en verdad es mucho más efectivo y económico retirar el que está fallando y colocar uno probado en el laboratorio, aquí se ve la importancia de poder efectuar el reemplazo con facilidad. 2.- La facilidad de reemplazo de la lámpara y balastro. Se ha dicho la importancia de dar el mantenimiento a un sistema de alumbrado efectuando el reemplazo del luminario completo, pero aún en el laboratorio el tiempo de desarmado de lámparas y balastros, ya sea para pruebas o para reemplazo, es muy importante. 3.- La facilidad de limpieza y mantenimiento. Un luminario en tierra, a la altura del suelo, es decir en un laboratorio se puede dejar como nuevo y desde luego aquí se aprecia la facilidad de poder hacerlo En resumen Cualquier tipo de luminario debe satisfacer los objetivos siguientes: - Distribuir el flujo luminoso eficientemente; que el flujo emitido por la lámpara debe distribuirse de tal forma que se obtengan los resultados deseados, y con máximo aprovechamiento, asegurando que las lámparas mantengan sus características de flujo, duración, intensidad y tensión de operación cercanas a las características nominales. - Controlar el flujo luminoso para evitar toda molestia visual a los usuarios y con esto obtener un apropiado confort visual. En este punto conviene saber que en los luminarios, dentro de la variedad de clasificaciones que existen, hay una que se basa principalmente en el control vertical del flujo luminoso, (ángulo del flujo máximo con respecto a la vertical) como sigue: Haz cortado (Cut-off) dirección de intensidad máxima inferior a 65º Especialidad: Ingeniería Eléctrica 21

22 Haz semi cortado (Semi cut off) dirección de intensidad máxima inferior a 75º Haz no cortado (Non cut off) dirección de intensidad máxima más de 75 Esta clasificación está en relación con el deslumbramiento o confort visual, desgraciadamente se está abusando al seleccionar los luminarios sin ningún criterio de ingeniería y solo tomando en cuenta el costo inicial, pues para el tipo haz cortado no se requiere de un refractor, usando solamente de un cristal plano o liso; por lo que su costo es inferior al de un luminario con refractor; sin tomar en cuenta que si no se mantiene limpio este cristal, la suciedad produce un efecto espejo, reflejando el flujo luminoso hacia la lámpara y produciendo una sobre excitación que la destruye, a más que un haz cortado o semi cortado mantendrá la mayor intensidad de su flujo solamente sobre el tránsito de vehículos, dejando las aceras donde transitan peatones e inclusive el entorno en el que transitan, en casi una total oscuridad; no hay que olvidar que este tipo de luminarias se diseñaron para aplicación en vías rápidas y carreteras en las que el flujo peatonal es nulo. Un ejemplo de este problema lo tenemos en el centro histórico de la Ciudad de Puebla donde en una modernización del alumbrado de sus calles mantiene en la penumbra las fachadas de las casas antes admiradas por ser Patrimonio de la Humanidad. Otro ejemplo es el Paseo de la Reforma en la Ciudad de México que ha cambiado el alumbrado que permitía admirar su belleza por un alumbrado que alumbra especialmente la vialidad vehicular. - Tener las características eléctricas y mecánicas de acuerdo a su propio uso, en particular las que permitan la seguridad de las personas tanto usuarios como de mantenimiento. - Proteger y mantener en condiciones óptimas las lámparas, dispositivos ópticos y eléctricos contra la acción de la intemperie o de agentes del medio ambiente para evitar perjudicar su eficiencia luminosa. Los luminarios para alumbrado de vialidades, deben de cumplir, como mínimo, con las normas técnicas y de calidad que regulan las características mecánicas y eléctricas de los elementos que la constituyen. Para tal efecto se deben efectuar pruebas de los diferentes parámetros en laboratorios acreditados Eficiencia luminosa Dependiendo de los tipos de vialidades los factores de utilización de los luminarios de mayor calidad del tipo haz no cortado, para avenidas de 11 m de ancho pueden alcanzar eficiencias del flujo luminoso de los luminarios del orden de 45%, no así para luminarios tipo haz cortado en los que su eficiencia o factor de utilización puede ser del orden de 30% del flujo luminoso de la lámpara, siendo esta un área de oportunidad para desarrollos de Ingeniería que puede producir grandes ahorros de energía. Para alumbrar vialidades del tipo Vialidad secundaria residencial tipo B es común pensar en luminarios tipo esfera. En su selección es probable que comercialmente se anuncie como de muy alta eficiencia pues prácticamente todo el flujo luminoso de la lámpara sale al exterior pero hay que cuidar dos inconvenientes; uno que gran parte del flujo es hacia el cielo y otro es que por su altura de montaje se pueden tener Especialidad: Ingeniería Eléctrica 22

23 problemas de deslumbramiento. Es recomendable analizar cuidadosamente las curvas fotométricas es decir el flujo luminoso. 4.2 Balastros. En las lámparas de descarga de alta intensidad, vapor de sodio incluidas, por tratarse del paso de una corriente eléctrica en un gas se provoca un cortocircuito ya que tiene un valor de resistencia prácticamente nulo por lo que tiende a ser incontrolable, este tipo de lámparas requieren de un balastro para controlar el flujo de corriente mediante la limitación con una carga resistiva, inductiva o capacitiva o dos o tres de ellas, para que mediante la regulación de la tensión de operación dentro de límites que en su valor máximo impidan la destrucción de la lámpara y en su valor mínimo no permitan que se interrumpa el flujo y se apague el arco, se logre una operación estable con un flujo ideal que a su vez proporcione la máxima eficacia de la lámpara; también el balastro tiene la función de proporcionar una tensión de arranque o de disparo, capaz de producir la ignición del gas para establecer el flujo de la corriente. La energía consumida por este equipo inseparable de la lámpara, resta eficiencia al sistema de alumbrado en este tipo de lámparas y siempre se debe tomar en cuenta para el funcionamiento del circuito en el consumo total de potencia, sumando a la potencia de la lámpara la potencia consumida por el balastro. A diferencia de las lámparas de vapor de mercurio en las que para cada una de ellas existe un punto exacto de operación optima y solo se pide una forma de onda con un factor de cresta máximo, del mismo modo que en las lámparas de aditivos metálicos, y que para el arranque cuentan con un electrodo auxiliar dentro del tubo donde se desarrolla el arco; en las lámparas de vapor de sodio de alta presión debido a su construcción, el balastro requiere de un circuito auxiliar que genera pulsos de arranque de aproximadamente 2000 V a 4000 V, con el único objetivo de encender la lámpara, este dispositivo denominado ingnitor esta constituido de elementos semiconductores que durante el inicio del arco en la lámpara se conecta al circuito y cuando se ha establecido el arco se desconecta. En el caso especifico de los balastros para lámpara de vapor de sodio de alta presión, la regulación no se especifica por un simple punto debido a que la tensión en el tubo de descarga, por el cambio de temperatura, se incrementa durante la operación de la lámpara, entonces para mantener la potencia de la lámpara constante a una determinada tensión nominal es necesario que el balastro compense dicho aumento en la tensión de la lámpara para sostener la operación óptima de la misma, consecuentemente existen límites establecidos por los fabricantes en tensión y en potencia consumida que restringen la operación de la lámpara y restringen la operación del balastro, dichos límites reciben el nombre de trapezoide de operación. En resumen se puede definir el balastro como un dispositivo eléctrico que por medio de inductancias, capacitancias y/o resistencias, solas o en combinación, limita la corriente de la lámpara al valor requerido para su operación correcta y proporciona la tensión y corriente de arranque necesarios; esta misma función puede ser sustituida mediante el empleo de circuitos electrónicos, inclusive con ventaja en todos los detalles por la flexibilidad de su control, se comprende que los circuitos electrónicos requieren de muy poca energía para su operación por lo que se reduce el consumo de energía eléctrica, Especialidad: Ingeniería Eléctrica 23

24 además de poder llegar hasta la obtención de un control casi perfecto para la alimentación a la lámpara. Todas las lámparas de descarga de alta intensidad requieren de un balastro, que en el comercio se conocen bajo dos tipos principales los magnéticos y los electrónicos Balastros magnéticos a).- Balastro tipo serie.- Balastro atrasado.- Su denominación se debe a que en la forma de onda en la lámpara, la corriente va atrasada respecto a la tensión, este tipo de balastro es el más sencillo pero su operación deja mucho que desear eléctricamente a favor de la operación de la lámpara por su poca respuesta a las variaciones. b).- Balastro tipo auto transformador de alta reactancia.- El auto transformador de alta reactancia permite encender una lámpara a cualquier tensión de línea, siendo su corriente de encendido menor que la corriente nominal de operación, mantiene una tensión de extinción alta, aunque no es recomendable por su operación con un bajo factor de potencia, que afecta la operación de los alimentadores de los circuitos. c).- Balastro tipo auto transformador auto regulado.- (Auto transformador de potencia constante C.W.A.).- Este es el tipo comúnmente usado sobre todo en su versión de alta eficiencia, este circuito siempre opera con un alto factor de potencia ya que cuenta con una capacitancía la que también en combinación con el circuito inductivo proporciona un mejor control sobre la operación de la lámpara, las pérdidas según su construcción y precio se mantienen entre un 16% y un 12%. d).- Balastro tipo transformador de potencia constante.- En este tipo de balastro se mantienen las características del tipo anteriormente descrito pero ya que no existe conexión eléctrica entre en el primario y el secundario, se tiene la ventaja de obtener una mayor seguridad del usuario, sobre todo para el personal de mantenimiento Balastros electrónicos a).- El desarrollo de ingeniería y perfeccionamiento en este tipo de balastros ha sido tan rápido y en constante mejora, como lo es el desarrollo de los propios elementos electrónicos, de tal manera que actualmente la oferta de este tipo de balastros es muy variada, manteniendo las pérdidas de operación dentro de un rango del 9% al 11%. b).- Balastros TRANSCOM, con este nombre quiero designar un balastro electrónico desarrollado por un grupo de Ingenieros de las Universidades Poblanas coordinados por el Ing. Manuel Maza González, con patente internacional, que a mi modo de entender es por el momento el máximo adelanto en el desarrollo de balastros electrónicos; a la venta en el mercado mundial globalizado bajo distintas marcas muy reconocidas, en pruebas de demostración se aprecian su capacidad de operación, su respuesta (flexibilidad) de adaptación a diversas condiciones de alimentación eléctrica +70% de V o -70% de V, sobre todo dos características muy interesantes, una es que cuenta con un bloque de control que permite seleccionar 38 funciones diferentes preprogramadas y/o que aceptan instrucciones a control remoto. La otra es que la Especialidad: Ingeniería Eléctrica 24

25 salida de tensión hacia la lámpara es a una frecuencia superior a los 60 Hz lo cual permite mejorar la eficacia de la misma. Mediante el control de funciones, tiene también capacidad para controlar y dosificar la potencia consumida por la lámpara obteniendo una mejora de la vida útil de h a h; el mismo control sobre las funciones programables mantiene un monitoreo constante de las características eléctricas de entrada y de salida lo que permite tener control sobre el arco de descarga de la lámpara. Con este tipo de balastro electrónico es posible lograr una operación de la lámpara dentro del rango de potencia más bajo sin afectar el flujo luminoso optimo y con un Factor de Potencia de 99%, lo cual permite obtener un ahorro de energía, además de que por sus características de construcción se puede emplear en lámparas de vapor de sodio de alta presión (V.S.A.P.) y en lámparas de descarga de alta presión (H.I.D.) con arranque por pulsaciones (pulse arc) o con electrodo de arranque; la distorsión armónica en corriente es de un 7% y en tensión de 1% a 2%. Todos los balastros electrónicos producen una distorsión armónica que afecta la calidad de servicio de la energía eléctrica creando algunos problemas de operación cuando no son tomados en cuenta, por lo que es muy importante al adquirir balastros revisar la información del fabricante seleccionando los que tengan valores bajos. 4.3 Infraestructura eléctrica Para el diseño de la infraestructura eléctrica, se debe considerar como punto primordial, la seguridad del operario tanto en la etapa de la instalación, como para el mantenimiento del sistema. Adicionalmente a lo anterior, se deben tomar en cuenta las facilidades de líneas de alimentación y capacidad con que cuenta la compañía suministradora en sus líneas de distribución. Cuando se tiene el proyecto de iluminación en una primera fase o sea cuando se determinaron el número de luminarios, la ubicación de los arbotantes (distancia interpostal, altura de montaje, etc.), y la potencia de la lámpara, se procede de la siguiente forma: a).- Se agrupan las lámparas en circuitos, de tal forma que la capacidad total del número de ellos más las pérdidas de los balastros no exceda la capacidad del contactor normalmente utilizado. b).- Se localiza y se ubica el centro de carga o punto de alimentación, donde se recibirá la energía proporcionada por la compañía suministradora. c).- Se procede al cálculo del circuito eléctrico, determinando el calibre y tipo del conductor eléctrico, de acuerdo con la carga del circuito, el tipo de sistema de distribución y la capacidad de la combinación de alumbrado. d).- Por ultimo, se calcula la caída de tensión en los conductores al punto mas alejado del centro de carga, la que es recomendable que no exceda el 5% en total desde el punto de la acometida, ya que estas pérdidas se reflejan directamente en la Especialidad: Ingeniería Eléctrica 25

26 eficiencia del sistema; es importante señalar que estas pérdidas se adicionan a las ya señaladas del balastro que también afectan la eficiencia de operación y por tanto se reflejan en el costo de operación. Aún cuando parece muy conveniente construir los circuitos de alimentación para el alumbrado de vialidades en canalización subterranea, perfectamente localizados con sus registros y cableados con conductores de cobre adecuados; el vandalismo, esto es: el robo directo de los conductores debido a su alto valor en el mercado negro; hace recomendable el uso de conductores de aluminio clasificados para ser enterrados directamente y usar un registro en el poste, llegando los conductores hasta una tablilla de conexiones dispuesta en él, para desde ahí continuar el circuito. De este modo parece que el costo de instalación y las pérdidas económicas, así como la continuidad del servicio lo justifican, sin detrimento de la operación eléctrica. 4.4 Dispositivos de control Que mejor modo de controlar el encendido y apagado de un sistema de Alumbrado de Vialidades que el empleo de un sensor que detecte la necesidad de mantener un nivel de iluminación cuando el ambiente lo requiere y lo mismo de apagarlo cuando el ambiente detecta que ya no es necesario, para lo cual contamos con detectores sensibles a la luz. Fotocontroles. Dispositivos eléctricos diseñados para abrir o cerrar automáticamente un circuito eléctrico, con el propósito de encender una o varias lámparas al disminuir la intensidad de la luz del día y de apagarlas al aumentar la luz del día al amanecer. Aplicación: A).- Para control de una sola lámpara. B).- Para control directo de varias lámparas conectadas en un mismo circuito. C).- Para el control de varios circuitos de alumbrado en un conjunto relevador contactor. En los dos primeros casos, se debe asegurar que la capacidad de las lámparas no excedan la capacidad permisible para la interrupción de la corriente máxima permitida por el elemento interruptor del fotocontrol. Las combinaciones de alumbrado y protección del circuito, relevador contactor, son muy convenientes ya que se utilizan para el control de circuitos múltiples con dos o más luminarios por circuito. En la actualidad con la utilización de balastros electrónicos que admiten señales a distancia existe la posibilidad de montar receptores en cada uno de los luminarios y efectuar su control desde un centro remoto de modo que pueda obtenerse una operación a máxima eficiencia en cada uno de los luminarios. Se comprende que para este tipo de operación a distancia, los circuitos de alimentación conviene que cuenten con su protección por sobrecarga y por falla a tierra, y sobre todo lo que es fundamental, que cuenten con medición de consumo de energía a la entrada del suministro, igual que en todos los circuitos alimentadores de Alumbrado de Vialidades. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 26

27 5. CALIDAD DE UN ALUMBRADO DE VIALIDADES En este punto tratare de desarrollar cuales son las cualidades de un Alumbrado de Vialidades que en alguna forma nos permiten calificar su calidad, tomando como punto de partida el objetivo que tiene dicho alumbrado. 5.1 Objetivo de un Alumbrado de Vialidades. El propósito del alumbrado de vialidades es el de proporcionar una visión rápida, precisa y confortable durante las horas de la noche o bajo condiciones de obscuridad. Estas cualidades de visión pueden salvaguardar, facilitar y fomentar el tráfico vehicular y peatonal, favoreciendo la seguridad de las personas y sus propiedades. Para lograr esto, los niveles de iluminancia deben ser determinados adecuadamente debido a que: La eficiencia visual es muy baja en la noche. Las características de operación del ojo humano varían con las diferentes intensidades de flujo luminoso y el nivel de iluminación. La percepción varía en función de la velocidad de circulación. La iluminación nocturna proporciona visibilidad a los usuarios, sea tráfico vehicular y/o peatonal. La capacidad de percepción del individuo decrece con la edad. 5.2 Criterios de calidad en el alumbrado de vialidades Antecedentes Iniciamos con cuatro definiciones básicas. Iluminancia (E=dΦ/dA). Es la relación del flujo luminoso incidente en una superficie por unidad de área, la unidad de medida es el lux (lx). Luminancia (L). La luminancia en un punto de una superficie y en una dirección dada, se define como la intensidad luminosa de un elemento de esa superficie, dividida por el área de la proyección ortogonal de este elemento sobre un plano perpendicular a la dirección considerada. La unidad de medida es la candela por metro cuadrado (cd/m 2 ). Confort visual. Grado de satisfacción visual producido por el entorno luminoso. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 27

28 Deslumbramiento. Condición de visión en la cual existe incomodidad o disminución en la capacidad para distinguir objetos, debido a una inadecuada distribución o escalonamiento de luminancias, o como consecuencia de contrastes excesivos en el espacio o en el tiempo. Los criterios para el diseño del alumbrado de vialidades se han basado en el concepto de iluminancia horizontal. Sin embargo, el criterio de cálculo de la luminancia del pavimento y el deslumbramiento perturbador, proporcionan una mejor correlación con la orientación visual facilitando calificar la calidad del alumbrado de la vialidad. La iluminancia es la base primordial del alumbrado de vialidades pero el criterio de luminancia está incluido como una alternativa que permite precisar mejor una solución. Las necesidades fundamentales de un alumbrado pueden expresarse en términos de percepción visual y a partir de esta necesidad de percepción visual se establecen los criterios fundamentales de calidad en un alumbrado de vialidades Criterios de Calidad de percepción 1.- El primer criterio se refiere a la relativa capacidad de los sistemas de iluminación de proporcionar las diferencias de contraste que permitan que el usuario pueda detectar y/o reconocer en forma más rápida, precisa y confortable los detalles principales para la tarea visual. 2.- Para obtener una mejor calidad de iluminación, se deben considerar los dos factores siguientes que se interrelacionan: Los deslumbramientos molestos y perturbadores deben ser reducidos al mínimo. La uniformidad de la iluminación debe tender a un máximo 3.- En algunos casos, los cambios encaminados a optimizar un factor relacionado con la calidad, puede afectar adversamente a otros factores y en consecuencia la calidad total resultante de la instalación puede verse disminuida. Con el objeto de lograr un apropiado balance entre estos factores, existen algunas recomendaciones que cubren los siguientes aspectos: a).- Revisar la distribución del flujo luminoso del luminario sobre un plano horizontal con relación a la distribución del flujo vertical hacia el frente y hacia los lados. b).- Revisar la altura de montaje como una función de la máxima potencia luminosa del luminario. c).- Revisar relación de la iluminancia promedio de la vialidad con el valor mínimo de iluminancia en cualquier punto, igualmente la relación de iluminancia máxima en cualquier punto con la iluminancia mínima, procurando un valor adecuado (el menor posible). Especialidad: Ingeniería Eléctrica 28

29 d).- Localizar los luminarios de forma uniforme con relación a los elementos de la vialidad. 4.- En un sistema de alumbrado de vialidades debe considerarse el consumo de energía total de la lámpara luminario - balastro - alimentadores como un elemento muy importante para su calificación ya que representa la eficiencia de operación. Para la iluminación de una vialidad según un uso especifico y según el ancho de la misma, se tiene un valor máximo del consumo de energía eléctrica a usar por área iluminada de vialidad, limitado por la Norma Oficial Mexicana NOM-013-ENER-2004 de ahorro de energía en forma de Densidad de Potencia Eléctrica para Alumbrado, DPEA, potencia eléctrica empleada por unidad de área iluminada, W/m 2. Los valores máximos permitidos de DPEA para iluminación de vialidades fluctúan entre 0,17 W/m 2 para un nivel de iluminación promedio mantenido de 3 lx y ancho de calle de 12 m, hasta un valor máximo de DPEA de 1,17 W/m 2 para un nivel de iluminación promedio mantenido de 17 lx y ancho de calle de 7,5 m, con una nota que advierte que el nivel de iluminación a utilizar depende del tipo de vialidad a iluminar, debiendo cumplir con lo establecido en el artículo 930 de la NOM-001-SEDE-2005, la cual establece valores mínimos promedio mantenidos Niveles de luminancia e iluminancia Debido a que estos niveles mínimos de luminancia o de iluminancia, tomados de la experiencia a nivel mundial, iguales a los establecidos por el IES y CIE para los mismos usos específicos, se encuentran regulados por la Norma Oficial Mexicana NOM-001- SEDE-2005 en su Artículo 930, a continuación me permito copiar lo señalado en ella, y de este modo, viendo los parámetros considerados en este artículo y sus valores, podremos deducir, como su cumplimiento obliga a obtener un alumbrado efectivo, eficiente y de calidad Especificaciones auxiliares a) Reflectancia del pavimento. Se deben considerar las características de reflectancia del pavimento para el cálculo de luminancia de una vialidad, las cuales son mostradas en la Tabla 930-5(a). TABLA 930-5(a).- Características de reflectancia del pavimento Clase Qo Descripción Tipo de reflectancia R1 0,10 Superficie de concreto, cemento portland, superficie Casi difuso de asfalto difuso con un mínimo de 15% de agregados brillantes artificiales. R2 0,07 Superficie de asfalto con un agregado compuesto de Difuso especular un mínimo de 60% de grava de tamaño mayor que 10 mm. Superficie de asfalto con 10 a 15% de abrillantador artificial en la mezcla agregada. R3 0,07 Superficie de asfalto regular y con recubrimiento Ligeramente especular sellado, con agregados obscuros tal como roca o roca volcánica, textura rugosa después de algunos meses de uso (Típico de autopistas). R4 0,08 Superficie de asfalto con textura muy tersa. Muy especular NOTA: Qo representa el coeficiente de luminancia media. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 29

30 Niveles de luminancia e iluminancia. Se permite que las necesidades visuales a lo largo de las vialidades tipo autopistas, carreteras, vías principales, primarias y secundarias, puedan darse en términos de la iluminancia o de la luminancia. La relación entre los valores de luminancia e iluminancia se derivan de condiciones generales para pavimentos secos y vialidades rectas. Esta relación no se aplica a los promedios. Para autopistas con doble carril por sentido de circulación, donde el sistema de iluminación pueda diferir entre uno y otro, los cálculos deben realizarse para cada sentido en forma independiente. Para autopistas, los valores mínimos se aplican tanto a la vialidad como a las rampas de acceso. a) Niveles de luminancia 1) Vialidades. Las necesidades visuales del entorno a lo largo de una vialidad en función de la luminancia deben ser los descritos en la Tabla 930-6(a) que se muestra a continuación. TABLA 930-6(a).- Valores mantenidos de luminancia Clasificación de vialidades Luminancia Uniformidad de luminancia Relación de promedio mínima luminancia de deslumbramiento Lprom (cd/m2) Lprom/Lmín Lmax/Lmin Ld/Lprom Autopistas y carreteras 0,4 3,5 a 1 6 a 1 0,3 a 1 Vías de acceso controlado y Vías rápidas 1,0 3 a 1 5 a 1 0,3 a 1 Vías principales y ejes viales 1,2 3 a 1 5 a 1 0,3 a 1 Vías primarias o colectoras 0,8 3 a 1 5 a 1 0,4 a 1 Vía secundaria residencial Tipo A 0,6 6 a 1 10 a 1 0,4 a 1 Vía secundaria residencial Tipo B 0,5 6 a 1 10 a 1 0,4 a 1 Vía secundaria industrial Tipo C 0,3 6 a 1 10 a 1 0,4 a 1 Ld = Luminancia de deslumbramiento. b) Niveles de iluminancia. Los niveles de iluminancia deben satisfacer los requerimientos indicados en las Tablas 930-6(c) a la 930-6(f), según aplique. La Tabla 930-6(c) muestra los valores de iluminancia en función de las características de reflectancia del pavimento. TABLA 930-6(c).- Valores mínimos mantenidos de iluminancia promedio (lx) Clasificación Clasificación Uniformidad de Andadores de vialidades del pavimento la iluminancia Iluminancia Iluminancia R1 R2 y R3 R4 Eprom/Emin promedio vertical horizontal promedio para mínima seguridad (1) Autopistas y carreteras a Vías de acceso controlado y vías rápidas a Vías principales y ejes viales a Vías primarias y colectoras a Vías secundaria residencial Tipo A a Vías secundaria residencial Tipo B a Vías secundaria industrial Tipo C a Andadores alejados de Vialidades Túneles de peatones (1) Medido a una altura de 1,6 m. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 30

31 2) Túneles. Las Tablas 930-6(b) indican la forma para determinar los niveles de luminancia que deben mantenerse en túneles. El nivel de luminancia en la zona de entrada o umbral del túnel para iluminación diurna o nocturna, debe determinarse teniendo en cuenta las condiciones indicadas en la Tabla 930-6(b)- 1y 2 y en la Figura 930-6(b)-1. TABLA 930-6(b)-1.- Nivel de luminancia de pavimento, promedio mínimo mantenido en la zona de entrada o umbral de túneles vehiculares (cd/m2) Características del túnel Velocidad del Orientación tráfico (km/h) Norte Este-Oeste Sur Vialidad abierta escena tipo escena tipo 2 LTH x 0,8* escena tipo 3 LTH x 0,9* túnel urbano rampa T cenas tipo 4, 5 y túnel de montaña escena tipo escena tipo Observaciones: 1. LTH = Luminancia de umbral o de entrada. 2. Los valores mostrados en esta tabla deben observarse únicamente para la luminancia en la zona de entrada o umbral. 3. * estos factores representan la reducción permitida en los valores de la luminancia LTH debido a la luminancia resultante de la configuración del portal. Las diferentes escenas se indican en la Figura 930-6(b)-1 TABLA 930-6(b)-2.- Porcentajes de aplicación de los valores indicados en la Tabla 930-6(b)-1 Salida visible Salida no visible Penetración de luz de día Penetración de luz de día Buena Pobre Buena Pobre Reflectancia de las paredes Reflectancia de las paredes Longitud Volumen Ciclistas Alta Baja Alta Baja Alta Baja Alta Baja del túnel de tráfico Menos Ligero No 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % de25 m SI 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % Pesado No 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 25 m- 100 m 101 m- 250 m Más de 250 m Ligero Pesado Ligero Pesado Ligero Pesado SI 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % 0 % No 0 % 0 % 50% 50% 0 % 0 % 0 % 0 % SI 0 % 0 % 50% 100% 0 % 0 % 0 % 0 % No 50% 50% 50% 50% 50% 50% 100% 100% SI 50% 50% 50% 100% 100% 100% 100% 100% No 50% 50% 50% 50% 100% 100% 100% 100% SI 50% 50% 50% 100% 100% 100% 100% 100% No 50% 50% 100% 100% 100% 100% 100% 100% SI 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% No 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% SI 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% No 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% SI 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% Especialidad: Ingeniería Eléctrica 31

32 FIGURA 930-6(b)(1).- Tipos de escena indicados en la Tabla 930-6(b)(1) Los niveles de luminancia en el interior del túnel para condiciones de luz diurna, debe cumplir con lo establecido en la Tabla 930-6(b)(3). TABLA 930-6(b)-3.- Nivel de luminancia promedio mínimo Mantenido sobre la vialidad en la zona interior durante el día (cd/m2) Luminancia promedio en la superficie de la zona interior Flujo de tráfico en número de vehículos Distancia de frenado BAJO Menos de promedio anual de tráfico diario MEDIO Más de y menos de promedio anual de tráfico diario PESADO Más de promedio anual de tráfico diario 160 m 6 cd/m 2 8 cd/ m 2 10 cd/ m m 4 cd/ m 2 6 cd/ m 2 8 cd/ m 2 60 m 3 cd/ m 2 4 cd/ m 2 6 cd/ m 2 Para la Iluminación nocturna en el interior del túnel los niveles de luminancia a lo largo del túnel durante la noche debe ser como mínimo de 2,5 cd/m2. las vitalidades de entrada y salida del túnel deberán tener un nivel de luminancia no menor que 1/3 del nivel del interior del túnel al menos por una distancia mínima a la de seguridad de frenado. Las paredes laterales del túnel arriba de 3 m por encima de la superficie de rodamiento del mismo, deberá tener un nivel mínimo de luminancia de 1/3 con respecto al existente en la vialidad. Relaciones de uniformidad. Las tolerancias de la relación de uniformidad relativa a los niveles de luminancia en las diferentes zonas del túnel debe ser de 2 a 1, promedio a mínimo, y 3,5 a 1, máximo a mínimo. Estas tolerancias se aplican a los carriles en una sola dirección y se calculan en una sección transversal para túneles bidireccionales. Se aprecia a través de los valores mínimos obligatorios y los parámetros señalados en la NOM-001-SEDE-2005 la necesidad de obtener cualidades visuales del entorno a lo largo de la vialidad descritas en términos de la luminancia de pavimento, uniformidad de luminancia y el deslumbramiento producido por la fuente de luz, expresados como valores de luminancia mínimos para el diseño, así como, la uniformidad y la relación entre la luminancia promedio y la luminancia indirecta. Especialidad: Ingeniería Eléctrica 32