Las protecciones eléctricas son un pilar fundamental en cualquier proyecto que implique el uso y la distribución de energía eléctrica, ya sea en hogares, oficinas o grandes instalaciones industriales como data centers.  Estos sistemas no solo garantizan la seguridad de las personas y los equipos, sino que también aseguran la continuidad operativa y el cumplimiento normativo.

Debido a que el condicionamiento eléctrico abarca una serie de tareas y procesos es necesario preparar y validar el sistema eléctrico, incluyendo la instalación y la protección de los equipos, además de su correcta integración en el proyecto.

Para la inyección de corriente primaria, se requiere un equipo con mayor potencia que en las pruebas secundarias. Esto es necesario para alcanzar las magnitudes de ajuste de corriente de disparo.

Por ejemplo, si un interruptor tiene un ajuste de 2700 A para un tiempo largo, se debe generar una corriente superior a 2700 A en los contactos del dispositivo para simular una falla por sobrecarga y forzar su accionamiento. Esta prueba, sin embargo, debe realizarse sólo como última opción para evitar el desgaste innecesario del interruptor, optando por las pruebas de inyección secundaria cuando sea posible y con unidades de disparo electrónicas.

A continuación, presentamos un caso práctico relacionado con la inyección de corriente secundaria realizado en un data center ubicado en Querétaro, México. Este ejemplo ilustra cómo se llevaron a cabo las pruebas de protecciones eléctricas en un entorno real, con la supervisión y colaboración del equipo de KINENERGY y de la CFE (Comisión Federal de Electricidad).

El objetivo principal era verificar el correcto funcionamiento de las protecciones eléctricas del sistema de distribución del Data Center, asegurando que el interruptor de protección se disparara de acuerdo con los valores establecidos para evitar posibles sobrecargas o fallas eléctricas.

El interruptor en cuestión tenía una capacidad nominal de 3000 amperios, pero fue ajustado para dispararse a 2700 amperios en el tiempo largo. Esto significaba que, para hacer que el interruptor se disparara, era necesario generar una corriente superior a los 2700 amperios, lo cual requería el uso de equipos de prueba de alta capacidad.

El ingeniero encargado de realizar las pruebas en sitio, junto con el equipo de KINENERGY, trabajó junto a un representante de CFE para verificar que todo estuviera funcionando correctamente antes de dar el visto bueno para la energización del sistema, pues sin la aprobación de la CFE no se podría proceder con la energización del Data Center.

El relevador utilizado en esta prueba fue de la marca SEL, modelo 451, con varios elementos de protección habilitados, entre ellos el 50 (protección instantánea) y el 51 (protección temporizada), utilizados para la protección de fases y para fallas a tierra o neutrales.

Pero antes de realizar las pruebas, era necesario configurar los valores del estudio de correlación de protecciones, los cuales fueron proporcionados por el diseñador del sistema. En este caso, CFE solicitó ajustes específicos basados en múltiplos de corriente establecidos como parte de su protocolo interno, y estos valores fueron cargados en el equipo de pruebas.

Por nuestro lado, el equipo de KINENERGY se encargó de asegurarse de que todos los ajustes fueran correctos, configurando un multiplicador de corriente de 1.5, 3.5 y 7 veces la corriente de pickup y para asegurar que el interruptor disparara correctamente dentro de los parámetros establecidos, utilizando un software especializado para simular la curva de tiempo.

Al ingresar los multiplicadores de corriente solicitados por CFE, el software generó los tiempos teóricos de disparo para las diferentes corrientes de prueba y los resultados teóricos fueron comparados con los valores obtenidos en la prueba real, y se observó que los tiempos de disparo eran muy cercanos a los valores teóricos, con una desviación dentro del margen permitido de ±10%. Esto demostró que las protecciones estaban funcionando correctamente dentro de los parámetros establecidos.

Es importante destacar que el elemento 51 (protección temporizada) seguía una curva de tiempo inverso, lo que significaba que, a medida que la corriente aumentaba, el tiempo de disparo se reducía. Esto era clave para garantizar que, ante corrientes altas, el interruptor actuara rápidamente para proteger el sistema. Y una vez que la corriente excedía el umbral de 2500 amperios, entraba en acción el elemento 50 (protección instantánea), lo que hacía que el tiempo de disparo fuera prácticamente inmediato.

El índice PPD se refiere al “Porcentaje de Personas Insatisfechas” en inglés “Predicted Percentage of Dissatisfied”, y mide la probabilidad de que un grupo de personas en un espacio determinado no se sienta cómodo con la temperatura ambiental. Cuanto menor sea el PPD, mayor será la satisfacción térmica y esto se logra ajustando las condiciones ambientales, como la temperatura y la humedad, para cumplir con las preferencias de la mayoría.

El PMV, “Valor Medio Predictivo” o por sus siglas en inglés “Predicted Mean Vote”, es una herramienta predictiva que evalúa la sensación térmica percibida en un entorno específico. Este índice tiene en cuenta factores como la temperatura del aire, la velocidad del viento, la actividad física y la vestimenta de las personas. El objetivo es mantener el PMV cerca de cero, indicando un equilibrio donde la mayoría de las personas se puedan sentir cómodas. 

Las variables que impactan el confort térmico son esenciales para entender cómo nos sentimos en un entorno específico y de acuerdo con la AHSRAE, encontramos que existen seis variables principales que pueden afectar el confort térmico:

Variables físicas o ambientales:

• Temperatura del aire (Ta) - °C: la temperatura ambiental directa influye en nuestra sensación térmica. 
• Temperatura radiante (Trm) - °C: representa el intercambio de calor entre nuestro cuerpo y las superficies circundantes. 
• Velocidad del aire (Va) – m/s: la velocidad del aire impacta en cómo percibimos la temperatura y el confort.
• Humedad relativa (HR) - %: niveles de humedad que afectan la sensación de frescura o bochorno.

Variables personales:

• Aislamiento térmico de la vestimenta (lcl)– clo: la ropa que usamos y su capacidad para aislar térmicamente. 
• Tasa metabólica (M) – met: relacionada con la actividad física, influye en la producción de calor del cuerpo.

Estas variables, consideradas tanto del entorno como personales, son la base para diseñar espacios que no solo sean eficientes desde el punto de vista energético, sino también cómodos y adaptados a las necesidades individuales.

La suma de estos valores individuales nos brinda el aislamiento térmico total de un conjunto de ropa, permitiéndonos entender cómo nuestras elecciones de vestimenta impactan en la sensación térmica.

La tasa metabólica, se define como el gasto energético generado al realizar una actividad. Dado que el 75% de esta energía se transforma en calor, comprender su papel es crucial en la percepción térmica.

El valor "met" se expresa en W/m², y su escala se presenta de la siguiente manera, basada en la tasa metabólica de descanso, equivalente a 65 W/m²:

• Descanso: descanso/sentado cómodamente – 65 W/m². 
• Tasa baja: trabajo de oficina, caminar sin prisa, uso de herramientas pequeñas – 100 W/m².
• Tasa moderada: caminar, trabajo moderado, conducción pesada – 165 W/m².
• Tasa alta: caminar rápido, trabajo intenso con medio cuerpo - 230 W/m².
• Tasa muy alta: actividad intensa, correr – 260 W/m².

Esta clasificación no sólo revela la intensidad de la actividad, sino que también sirve como herramienta para comprender cómo el cuerpo genera calor durante diversas tareas. 

Temperatura radiante media - °C: Se entiende como temperatura de radiación media al intercambio de calor entre un cuerpo y las superficies a su alrededor. Se obtiene mediante la siguiente ecuación:

Donde:

• Trm es la temperatura radiante media (°C). 
• Tg es la temperatura de globo (°C).
• Va es la velocidad del aire (m/s).
• Ts es la temperatura de termómetro seco (Cº).

El modelo de balance térmico presenta ciertas limitaciones en su aplicación y la normativa ISO 7730, centrada en la "Ergonomía del Ambiente Térmico", establece recomendaciones específicas para garantizar la validez de este modelo.

Se aconseja su aplicación en casos donde las variables involucradas se encuentren dentro de los siguientes parámetros:

• Tasa metabólica entre 46 y 232 W/ m² (0.8 y 4 met).
•  Aislamiento de ropa entre 0 y 0.31 m²k/w (0 y 2 clo). 
• Temperatura del aire entre 10 y 30 °C.
• Temperatura radiante media entre 10 y 40 °C.
• Velocidad del aire entre 0 y 1 m/s.
• Presión del vapor de agua entre0 y 2700 Pa.

Estos parámetros delimitan las condiciones en las cuales se considera apropiado aplicar el modelo de balance térmico, asegurando resultados más precisos y relevantes.

Cada nivel representa una percepción específica del confort térmico, permitiendo una evaluación cuantitativa y cualitativa de las condiciones ambientales. La escala de PMV se distribuye en 7 niveles, comprendidos de la siguiente manera:

Al ser basada en valores iterativos se recomienda el uso de softwares especializados para la resolución de esta ecuación. Además, como método normalizado, la ISO 7730 proporciona tablas detalladas que pueden ser utilizadas como referencia. 

Estas tablas sirven como guía para obtener datos iniciales y establecer las condiciones necesarias para el análisis del confort térmico. Asimismo, las tablas normalizadas dentro de ASHRAE 55 ofrecen parámetros calculados bajo condiciones específicas.

Este cálculo, derivado del PMV, proporciona una comprensión más profunda de la distribución de la insatisfacción térmica en un grupo analizado. Al obtener valores de PPD, se puede evaluar de manera cuantitativa el impacto del entorno térmico en la percepción subjetiva de confort, permitiendo ajustes y mejoras para lograr condiciones ideales para la mayoría.

Cuando los valores del PMV oscilan entre -0.5 y 0.5, se considera que la mayoría se siente cómoda térmicamente y cualquier desviación indica condiciones subóptimas, requiriendo ajustes.

Si el PMV se encuentra dentro de los valores -0.5 y 0.5, se considera que la mayoría del grupo de estudio experimenta un confort térmico satisfactorio. De obtener otro resultado se puede decir que no es una condición adecuada y se requiere realizar adecuaciones con la finalidad de mejorar la sensación térmica.

Por lo tanto, al obtener los valores de -0.5 y 0.5 en el PMV se obtendrán valores del 10% que nos indican que las personas disconformes representan un 10% de nuestro grupo de análisis, concluyendo que nos encontramos dentro de un valor aceptable.

Para un caso de análisis el mejor valor del PPD que se puede obtener corresponde a un 5%, lo que represente un valor de 0 en el PMV, con esto podemos decir que la ecuación contempla que por lo menos un 5% de nuestro grupo de análisis tendrá una situación de no confort.

Estos resultados y su interpretación son esenciales para tomar decisiones informadas y realizar ajustes que mejoren la calidad del entorno térmico para la mayoría de los individuos.