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EXPERIENCIAS EN LA EVALUACIÓN E IMPLEMENTACIÓN

DE LUMINARIAS DE 100 W DE SODIO PARA ALUMBRADO PÚBLICO

C. Montero A. Abreu

C.A. Energía Eléctrica de Venezuela - ENELVEN

RESUMEN Los sistemas de Alumbrado Público (AP) representan para todas las ciudades un punto clave en la calidad de vida de los ciudadanos, ya que brindan seguridad tanto peatonal como vial. Para las empresas eléctricas de Venezuela, el mejoramiento y mantenimiento del AP es un proceso estratégico dado que simboliza imagen y credibilidad en la calidad del servicio. El sistema de iluminación de ENELVEN en avenidas principales y sectores residenciales ha estado conformado mayormente por luminarias de 175W de tecnología de vapor de mercurio, considerando que éste ofrecía un mejor rendimiento que los sistemas tradicionales mixtos e incandescentes. Por ser ENELVEN pionera en la optimización energética a nivel nacional y una gran impulsora de la conservación del medio ambiente, se decidió ir progresivamente eliminando de su sistema de AP estas luminarias de mercurio en reemplazo por las luminarias de 100W de Sodio de alta presión, dado que su rendimiento lumínico es mayor que las tecnologías de mercurio existentes. A partir del año 2001, ENELVEN diseña una metodología para la implantación de nuevos materiales en su red de distribución, que abarca desde el análisis conceptual, el estudio de factibilidad técnico – económico y prueba piloto. Dicha metodología se aplicó para la implementación de la tecnología de luminarias de Sodio a nivel residencial. Con la aplicación de esta metodología se detectaron oportunidades de mejora en los elementos que conforman el equipo auxiliar de la luminaria; en especial el sistema de arranque (ignitor). Como resultado de la implementación se obtuvo una disminución del consumo de energía mejorando el nivel de iluminancia. Este trabajo tiene como objetivo compartir los logros y las experiencias en el proceso de migración tecnológica a través de una metodología de análisis, la cual ha permitido tomar correctivos antes de la implantación masiva. PALABRAS CLAVE Alumbrado Público, Ahorro Energético, Metodología, Medio Ambiente, Calidad de Vida.

Comité Nacional Venezolano

I CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA

Noviembre 2007

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1 INTRODUCCIÓN Para llevar a cabo la implantación de nuevas tecnologías en cualquier sistema, se requiere considerar todos los aspectos involucrados a fin de garantizar las ventajas competitivas y la evolución desde el punto de vista de eficiencia. La adopción de la tecnología adecuada en el área del alumbrado público, requiere de las empresas eléctricas de distribución un esfuerzo considerable, ya que el éxito del proyecto impactará directamente en la comunidad; por lo antes planteado, dichas empresas deben considerar como parte de sus políticas de reemplazo los aspectos de calidad, durabilidad y economía. De no considerar todas las previsiones se puede introducir fallas masivas en la red, lo cual implicaría una desmejora en la calidad del servicio prestado. Cuando un material ha funcionado en otra empresa eléctrica, esto no implica necesariamente que éste funcionará en otra, ya que las condiciones ambientales y de la red pueden variar causando un comportamiento no deseado. Por esto surge la necesidad de crear una metodología de implantación de nuevos materiales, aplicándola inicialmente al sistema de Alumbrado Público con el fin de que el resultado final sea exitoso. Este trabajo presenta la metodología diseñada por la Gerencia de Ingeniería de Distribución de ENELVEN, a través del caso de la sustitución de las luminarias de 175 vatios de Mercurio por las de 100 vatios de Sodio, donde se explicará paso a paso esta experiencia. 2 METODOLOGÍA DE IMPLANTACIÓN La metodología consiste inicialmente en el análisis de factibilidad técnica de la tecnología a implantar, su evaluación económica y los beneficios que ésta traerá a la red de distribución y a sus usuarios. .

Figura 1. Metodología de Implantación de Nuevos Materiales.

Análisis Conceptual

Definición de Esp. Téc.

Prueba Piloto

Implantación

Se Cumplió lo Esperado?

Es Factible Téc – Eco?

Investigar otro tipo de Solución

Análisis del Problema de Operación Errática

No No

Si

Si

Tomar las Correcciones

El Material pasa las Pruebas de

Laboratorio?

La Instalación está Correcta?

El Material Cumple con las Esp. Téc.?

Si

No

No

Si

No

Si

Identificar las Correcciones

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De ser factible el proyecto, se procede a definir las especificaciones técnicas de los materiales, adaptándolos a las condiciones de entorno y propias de la red donde serán instalados. Luego se planifica la puesta en marcha de un plan piloto con variables controladas, a fin de hacer seguimiento y evaluación del comportamiento del proyecto piloto. Si durante la puesta en marcha del proyecto piloto se logran los objetivos planteados, entonces es viable la implantación masiva; por el contrario si el material comienza a tener una respuesta no esperada, se recomienda activar un análisis del problema de la operación errática donde se revisen las condiciones eléctricas y físicas de la instalación (entorno), el cumplimiento de las especificaciones del material y por último la realización de pruebas de laboratorio donde se pueda simular la falla y se determine la causa más probable de ésta, con la finalidad de establecer los puntos de mejora. 3 APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA: LUMINARIAS DE 100 W DE SODIO En esta sección se desarrollará la aplicación de la metodología a la sustitución de tecnología de luminarias de mercurio por luminarias de sodio en zonas residenciales servidas por ENELVEN. 3.1 Análisis Conceptual En los primeros años de los sistemas de alumbrado, las lámparas utilizadas eran incandescentes, las cuales fueron desarrolladas inicialmente por Edison en 1879. Con el tiempo se identificó que estas lámparas son muy ineficientes, pues la mayor parte de la energía que utilizan, la convierten en calor por efecto Joule. Con el transcurrir de los años fueron surgiendo en el mercado tecnologías como la luz mixta, una combinación de la lámpara incandescente con mercurio y las lámparas fluorescentes, que utilizan vapor de mercurio a baja presión. Estas dos últimas tecnologías de lámparas fueron utilizadas por ENELVEN de manera masiva hasta hace unos treinta años, las cuales fueron reemplazadas casi en su totalidad por lámparas de mercurio de alta presión. Para el caso de zonas residenciales se ha venido utilizando 80 y 175 vatios. En cuanto a luminarias de sodio a alta presión ENELVEN solo había incursionado en 250 vatios para el caso de autopistas y avenidas principales. Al comparar las características técnicas de las diferentes tecnologías (Tabla 1), es notable que el sodio alta presión proporciona una mayor luminosidad a una menor potencia (Lum/W), ofrece una durabilidad prolongada (Horas) y un tiempo de encendido breve, lo cual es impactante a nivel de mantenimiento y confiabilidad de los sistemas de alumbrado público.

Incandescente Luz Mixta Fluorescente

Mercurio de Alta Presión

Metal Halide Sodio Baja Presión

Sodio Alta Presión

Eficiencia (Lum/W) 17 30 93 63 100 100 140

Vida Útil (Hrs) 6.000 15.000 12.000 24.000 20.000 18.000 24.000

Color Blanco Calido Blanco Combinado

Diferentes Blancos Blanco Blanco Frío Amarillo

(monocromático) Blanco

Amarillento Tiempo de Encendido (min.) Instantáneo 0 a 3 min. 2 o 3 seg. 5 a 7 min. 2 a 4 min. 12 min. 3 a 4 min.

Tabla 1. Comparación de Tecnologías de Lámparas para Alumbrado Público.

Otra diferencia notable de la lámpara de sodio de alta presión es que emite un color “blanco amarillento” el cual es beneficioso para la seguridad vial, pues este color presenta una longitud de onda que está en el rango de mayor agudeza de los órganos visuales de los seres humanos, lo que facilita la identificación de personas, animales, objetos u obstáculos en las vías de desplazamiento vehicular a distancia. Estos

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factores permiten concluir que el vapor de sodio de alta presión ofrece mayor eficiencia, vida útil y no posee elementos contaminantes para el medio ambiente como el mercurio, lo que da inicio a un estudio de factibilidad técnico – económico para su implantación en el sistema de Alumbrado de Enelven. 3.2 Factibilidad Técnico – Económica Para el análisis de factibilidad técnico – económica, se establecieron tres escenarios que modelan la práctica de implantación de luminarias de vapor de sodio en zonas residenciales:

• Escenario 1: Nuevos Desarrollos, la cual está orientado a la instalación de luminarias de sodio en nuevas obras de alumbrado.

• Escenario 2: Reemplazo, el cual contempla la sustitución del sistema actual por equipos nuevos, considerándose cuatro opciones diferentes en función a las capacidades de las luminarias.

• Escenario 3: Repotenciación, donde se visualiza la implantación del sodio a través del reacondicionamiento y adecuación de las luminarias de mercurio existentes en el sistema.

Los primeros dos escenarios fueron desarrollados en el estudio de investigación [2].

3.2.1 Análisis Técnico El análisis técnico se inicia evaluando las diferentes potencias de lámparas de vapor de sodio que existían en el mercado, entre las cuales se encontraron desde 50, 70, 100, 150, 250 y 400 W. Partiendo que una lámpara de 175 W de Mercurio tiene de 8000 a 9000 lúmenes y conociendo que una de Sodio de 70 W tiene 6300 lúmenes, hace que técnicamente no sea factible la utilización de lámparas de Sodio de 70 W en lugar de 175 W de Mercurio. Se realizaron mediciones a través del método de los 9 puntos en una instalación típica de Alumbrado Publico de ENELVEN con lámparas de 100 W de sodio (9500 lúmenes) donde se evidenció la superioridad de esta lámpara a nivel de Iluminancia Media (Figura 2). Por lo cual resulta técnicamente factible reemplazar una luminaria de 175 W de Mercurio por otra de 100 W de Sodio. Aunado a lo planteado, se evaluó el escenario de la repotenciación de las luminarias existentes de 175 W de Mercurio, el cual consiste en utilizar la misma carcasa, incorporar el ignitor y reemplazar los componentes internos tales como la lámpara, el condensador y el balasto acordes a los que utiliza la luminaria de 100 W (Sodio). Se hizo una repotenciación de una luminaria de 175 W, donde se obtuvieron resultados satisfactorios, el único inconveniente fue carecer de la infraestructura técnica necesaria para poder realizar la repotenciación garantizando que el ensamblado de todas las piezas fuese de una calidad certificada.

Figura 2. Medición de Iluminancia Media (Em) en Campo a través del Método de los 9 puntos.

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3.2.2 Análisis Económico Al reemplazar luminarias 175 W de mercurio por 100 W de Sodio, se obtiene que toda la inversión se recupera en un período de 7 años (90 meses). El impacto a nivel de ahorro energético para ENELVEN con la sustitución de 22.412 luminarias de 175 W de Mercurio que actualmente existen instaladas por 12 horas por día en un año, alcanza los 7,07 Gwh/año, lo que representa un ahorro del 41,45% (ver figura 3). Por tal motivo se concluye que es técnica y económicamente factible la migración de tecnología, lográndose los objetivos ya mencionados para migrar a otro sistema de iluminación como son: mayor eficacia en luminosidad, un menor consumo de energía y rentabilidad económica. 3.3 Definición de las Especificaciones Técnicas Como paso previo a la prueba piloto, se definieron las especificaciones técnicas de las luminarias a utilizar considerando las características básicas, las condiciones de entorno y propias del sistema, las cuales se describen en este punto de manera muy general:

• La luminaria debe cumplir con las normas IEC 598-1-2-3, COVENIN 3629, ANSI C82.5 y C82.6. • Grado de Hermeticidad IP 54. Grado de protección Mecánica IK 08. • El ignitor debe ser del tipo “autoparada”. • El Balasto del tipo reactor abierto o encapsulado, para 120 V, 60 Hz y pérdidas máximas de 17 W. • El compartimiento para los equipos auxiliares deberá tener una hermeticidad mínima de IP 43.

3.4 Prueba Piloto A finales del año 2002, ENELVEN adquiere 1572 luminarias de 100W de Sodio en 120 V y 1250 lámparas de 100 W de sodio, 55 V. Durante el año 2003 se planifica el reemplazo de 533 luminarias en un sector de la ciudad que permitiese el control de las variables, a fin de llevar seguimiento al proyecto piloto. Luego de la instalación de los primeros 92 puntos de luz, los mismos comenzaron a presentar un comportamiento errático el cual consistía en el apagado prematuro de las mismas y no reencendido posterior para reestablecer el servicio de iluminación. Esto causó incremento en la cantidad de reclamos de alumbrado por parte de los usuarios del sector bajo prueba, originándose una paralización inmediata de la instalación del resto de luminarias previstas para el proyecto piloto, con la finalidad de realizar una evaluación a dicho material y las condiciones del entorno, tal como lo establece la metodología descrita en el punto 2 de este artículo (Fig. 1). 3.5 Análisis del Problema de Operación Errática Durante la Prueba Piloto El análisis se inicia con la inspección en campo de la instalación y la evaluación de los parámetros eléctricos de la red secundaria de distribución. De esta evaluación se determinó que las condiciones del entorno eran óptimas, por lo que se procedió con la evaluación de las características técnicas de cada uno de los elementos que conforman el sistema de alumbrado y la realización de pruebas de laboratorio. En la Figura 4 se observa el detalle de las partes y componentes de las luminarias utilizadas en el proyecto piloto.

Figura 3. Estimado de Ahorro Energético por el Reemplazo.

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A nivel de datos de placa, se constató que todos los componentes cumplían con lo establecido en las especificaciones técnicas exigidas: • Ignitor (Arrancador): Tipo paralelo,

Autoparada, 2 terminales, 4.5 Kvmax, 60 Hz - 90°C.

• Balasto: Tipo reactor, Potencia 100 W, 60 Hz, Condensador 35 – 45 microF, Tensión de línea 120 V.

• Capacitor: 40 microF, - 40°C + 90°C , 60 Hz, FP: 0,95.

• Bombillo: 100 W vapor de sodio, para trabajar a 55 V, Rosca E40, Bulbo Transparente, 60 Hz.

A fin de evaluar técnicamente el conjunto Luminaria–Lámpara utilizado en el proyecto piloto, se realizaron pruebas de laboratorio soportadas por estándares Nacionales e Internacionales (COVENIN, ANSI, IEC) para evaluar el comportamiento eléctrico, térmico y de reencendido del conjunto. Pruebas Eléctricas y Térmicas: Se tomaron mediciones de temperatura al núcleo del balasto, bulbo de la lámpara, casquillo, ignitor, cuerpo óptico, condensador y ambiente externo. Adicionalmente se tomaron los parámetros eléctricos como: tensión de alimentación, corriente de entrada (línea), tensión de la lámpara y corriente de la lámpara. En la Tabla 2, se observan los resultados de dichas pruebas, donde se resalta que el valor de tensión de la lámpara de 100 W envejecido 100 horas supera el valor de tensión esperado, arrojando un valor de 68,1 voltios siendo el nominal de 55 voltios; aunado a esto se verificó la impedancia del balasto encontrándose ésta dentro de los valores de la norma, lo que comprobó que la lámpara estaba operando con valores de tensión fuera de lo normal. Esta condición podía originar un envejecimiento acelerado de la lámpara y por consiguiente una falla prematura antes de las 24.000 horas operación. Es necesario destacar que, experimentalmente se ha determinado que la tensión operacional de estas lámparas de sodio aumentan 1,5 voltios por cada 1000 horas de funcionamiento [1].

Tabla 2. Resultados de Prueba Eléctrica y Térmica. Pruebas de Reencendido: Se procedió inicialmente a realizar la prueba de reencendido estándar, la cual consiste en energizar la luminaria, dejar estabilizar la misma por 15 minutos y realizar la prueba de apagado y encendido. Como resultado de esta prueba se obtuvo el reencendido de la luminaria en un

Vaso Porta Equipo

Difusor

Bombillo

Equipos Auxiliares

Figura 4. Parte y Componentes de la Luminaria de 100 W.

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tiempo máximo de 1 minuto. En segundo lugar, a fin de representar el comportamiento errático de las luminarias en campo, se realizó una variación en la prueba de reencendido, lo cual consistió en estabilizar la luminaria por un espacio de 1 hora, tiempo superior a los 15 minutos estandarizados, y proceder a la interrupción y restablecimiento de la alimentación de la luminaria. Luego de realizar dicha prueba se detectó que la misma no reencendía. Por tal motivo se decidió sacar el arrancador (ignitor) del vaso porta equipo de la luminaria tal como se muestra en la Figura 5, procediendo a realizar múltiples pruebas de reencendido con tiempos indeterminados de estabilización obteniéndose resultados satisfactorios. Por último se procedió a calentar de manera artificial el ignitor y ejecutar operaciones de reencendido, obteniendo los resultados mostrados en la Tabla 3. .

Tabla 3. Resultados de Experimento con el Ignitor. Se puede observar que el ignitor muestra un comportamiento de bloqueo donde a los 45 °C de temperatura no emite más impulsos. Al investigar con los fabricantes de estos equipos se constató, que para garantizar la función de autoparada del ignitor, los mismos estaban provistos de unos termistores que limitan la emisión de pulsos al llegar a un determinado nivel de temperatura. Este nivel de temperatura de bloqueo se alcanza con la propia energía que produce el ignitor cuando emite múltiples pulsos de tensión a fin de encender una lámpara y la misma se encuentre quemada. Al inspeccionar el dato de placa del ignitor se encontró el valor de 90 °C que es la temperatura máxima que soporta la electrónica, más no la temperatura de autoparada. Para validar esta teoría, se realizó otra prueba experimental (ver Figura 6) donde se instalaron termocuplas en diferentes lugares del vaso porta equipo de la luminaria para verificar los niveles de temperatura alcanzados dentro de la misma, encontrándose valores máximos de hasta de 71 °C, obteniéndose en la ubicación del ignitor una temperatura de 55 °C (ver Tabla 4). Aunque estos valores están por debajo del nivel máximo de diseño de los diferentes componentes auxiliares y del ignitor, los mismos superan los establecidos para la temperatura de parada del ignitor.

Tabla 4. Resultados de Medición de Temperatura. Figura 6. Disposición de las Termocuplas.

Figura 5. Prueba Experimental del Ignitor

Ignitor

No Encendió

VALORES TOMADOS CADA 1/2TIEMPO (HORA)

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Se determinó que con estos niveles de temperatura que se generan en el compartimiento eléctrico de la luminaria, producto del diseño de esta luminaria tipo “globo”, no es factible la utilización de ignitores autoparada por temperatura; ya que existe una transferencia directa de calor de la fuente (lámpara) hacia los componentes eléctricos afectando la funcionalidad de los mismos. Adicionalmente, se concluyó que el protocolo convencional de prueba de reencendido no detectó esta falla de diseño en este tipo de luminaria. 3.6 Implantación por Sustitución Planificada por Zonas Luego de superados estos inconvenientes durante el proyecto piloto, se inició a finales del año 2005 la implantación planificada de dichas luminarias en concordancia con los criterios establecidos por la empresa para la selección de sectores, las prioridades y recomendaciones establecidas por los entes gubernamentales. Entre los criterios considerados para la selección de los sectores se encuentran: indicadores de cobranza, indicadores de pérdidas, zona geográfica delimitada (para seguimiento del mantenimiento) y proporción de instalación 175 W vs. 80 W superior al 70%. Hasta la fecha se han logrado instalar unas 2.300 luminarias de 100 W de Sodio. 4 CONCLUSIONES La aplicación de la metodología de implantación de nuevas tecnologías, permite la detección oportuna de mejoras y permite introducir cambios positivos a los sistemas eléctricos; manteniendo los estándares de calidad de servicio. La sustitución de las luminarias de vapor de mercurio por luminarias de vapor de sodio de alta presión, ofrece una mayor eficiencia, durabilidad y confiabilidad; minimizando los costos operativos y de mantenimiento del sistema de Alumbrado Público y permitiendo un alto nivel de iluminación en los sectores residenciales, mejorando la percepción de los usuarios sobre la calidad de servicio y la seguridad pública de su comunidad. Se recomienda revisar las normativas y protocolos de pruebas a luminarias de vapor de sodio y a cualquier otro tipo de luminaria que utilice arrancadores (ignitores) tipo autoparada por temperatura. Las empresas eléctricas en conjunto con los entes gubernamentales responsables del Alumbrado Público, deben impulsar nuevos tipos de tecnologías que cumplan con las premisas de menor consumo y mayores niveles de iluminancia. BIBLIOGRAFÍA [1] Miguel Ereú, “Alumbrado Público – Criterios, Diseños y Recomendaciones”, Caracas, Venezuela

2004. [2] Johany Leal y Fernando De Almeida, “Estudio de Factibilidad Técnico Económica para el

mejoramiento de Alumbrado Público Utilizando Tecnología en Vapor de Sodio. Caso: ENELVEN”, Universidad del Zulia. 2001.

[3] IEC 598-1-2-3, “Luminarias”. [4] COVENIN 3629-2000, “Arrancadores para Bombillos de Sodio de Alta Presión. Requisitos

Generales y de Seguridad”. [5] ANSI C82.5, “Reference Ballasts, High Intensity Discharge and Low Pressure Sodium Lamps”. [6] ANSI C82.6, “Ballasts for High Intensity Discharge Lamps – Methods of Measurement”.