Metodologa de Diseo para Centros de Transformacin a funcionar en Edificios Residenciales dentro del rea de concesin de la Empresa Elctrica Quito S.A.

Rommel Manolo Antamba Rivas

Facultad de Ingeniera Electrnica, Escuela Politcnica del Ejrcito Av. El Progreso S-N, Sangolqu, Ecuador

ResumenEl presente documento describe el dimensionamiento de centros de transformacin, en base a ejemplos y anlisis realizados en diferentes muestras.

La seleccin de las distintas muestras se baso en tcnicas de muestreo, posteriormente se analiz el consumo energtico en los lugares seleccionados, de esta manera enfocar las caractersticas de consumo propias de cada nivel estratificadas por la EEQ.

Los datos obtenidos del indicado anlisis permiten el diseo del transformador, de manera adicional se seala el dimensionamiento de conductores y protecciones elctricas.

Los resultados obtenidos en base al ejemplo de referencia se encuentran dentro de parmetros establecidos por la EEQ.

Finalmente se cita la necesidad de sistemas de monitoreo de centros de transformacin, obteniendo as importante informacin de consumo de electricidad y el controlar distintas magnitudes elctricas.

I. INTRODUCCIN

La demanda constante de energa elctrica en el pas, ha ido incrementndose constantemente durante las ltimas dcadas, ya sea por soluciones con dispositivos que facilitan las funciones diarias (Lavadora, secadora, dispositivos de iluminacin, calefactores) o nuevos elementos que permiten la conexin a diferentes medios de informacin (Televisores, Computadores), se destaca estos consumos ya que en el Ecuador, el sector residencial representa el sector con mayor gasto energtico.

Con el antecedente mencionado el suministro elctrico debe ser seguro y confiable hacia los usuarios finales, como parte del sistema elctrico de potencia se encuentra los centros de transformacin (Regulacin de Medio Voltaje 6,3 kV, 12,8 kV, 22,5 kV a Bajo Voltaje 220/127 V, en el Ecuador), tema central del presente anlisis en Edificios Residenciales, dentro del rea de concesin de la EEQ.

II. FUNDAMENTOS TEORICOS

A. Transformadores Maquina elctrica que vara los niveles de voltaje entre

devanados, respecto a principios de inductancia mutuos, la utilizacin de transformadores es indispensable para la distribucin elctrica realizada en la actualidad.

Previo al dimensionamiento de la cmara de transformacin, se debe conocer parmetros tcnicos utilizados en transformadores, estos son:

Figura 1. Transformador Trifsico de 200 kVA

Parmetros de Transformacin de Transformadores

- Relacin en funcin de voltajes

=

=

Ecuacin 1

Donde: 1

2

1 2

- Relacin en funcin de corrientes

=

=

Ecuacin 2

Donde: 1

2

!1 !2

- Relacin de Impedancias

="

" Ecuacin 3

#1 !$ #2 !%

Funcionalidad de transformadores

El rendimiento de un transformador determina la cantidad de aprovechamiento mximo de la energa a suministrar, es necesario aclarar que este aspecto lo manejan principalmente los fabricantes de transformadores.

& ='. '.)*+

-./0-1/23450'. '.)*+. 100% Ecuacin 4

& 8 $*9: $% $;< $=

Regulacin de Tomas en Transformadores

Los conectores entre el transformador y la red de media tensin son los Taps de transformacin, estos se encuentran regulados de 2.5 a 5 por ciento.

Relacin de conexin

En el escrito presentado se especifico la configuracin de distribucin elctrica (Conexin para distribucin en Delta), por lo tanto la especificacin a conectarse en el transformador es una configuracin Delta Estrella, se utiliza un arreglo en estrella por la presencia de neutro, de esta manera poder realizar la distribucin de circuitos sean estos monofsicos, dos fases trifsicos o netamente conexin trifsica.

Figura 2. Transformador Trifsico de 200 kVA

Relacin de Transformacin.

En conexin Delta

>- = ?@ Ecuacin 5

En conexin Estrella

>A = 3?+ Ecuacin 6

Por lo tanto la relacin de transformacin es:

DED'

=FG

HFI Ecuacin 7

B. Centro de Transformacin

Instalacin que presenta uno o varios transformadores para reduccin de medio voltaje a bajo voltaje, con sus aparatos y obra complementaria, este tipo de instalaciones difiere en su emplazamiento, acometida realizada, y anexin del centro de transformacin a la red elctrica.

Dentro del tema central, que son los centros de transformacin en edificios residenciales, se indica que la acometida realizada es subterrnea, y su emplazamiento es interior.

Dentro de los elementos que componen los centros de transformacin se cita los siguientes.

Transformador Dispositivos de Media Tensin.

Equipo de Seccionamiento Tomas de conexin Aisladores Conductores de media tensin

Dispositivos de Baja Tensin. Interruptor automtico Disyuntores Conductores de baja tensin

Como dispositivo adicional de proteccin en la instalacin de los centros de transformacin se presenta la puesta a tierra y pararrayos, el primero establecer un circuito de retorno a tierra de corrientes de falla y mantener diferenciales de voltaje bajos, mientras que el segundo determina la conduccin de corrientes atmosfricas hacia puntos de impedancia bajos.

III. ANALISIS

Anlisis de Parmetros Elctricos (FFU, FS). Ya presentado los parmetros tcnicos del centro de

transformacin se procede a realizar el dimensionamiento del mismo. Como aporte importante se procedi a realizar el anlisis de cargas y parmetros elctricos en edificios

ubicados en distintos puntos de la ciudad de Quito segn a la categorizacin efectuada por la EEQ, de esta forma se tiene una referencia de estudio de cargas para prximos diseos, teniendo muy en cuenta la categora de consumo del usuario y verificacin de consumo diario. El anlisis ejecutado, presenta resultados de factores elctricos como Factor de Frecuencia de Uso (FFU), Factor de Simultaneidad (FS), Carga Instalada Representativa (CIR), demanda mxima unitaria (DMU) de cada uno de los edificios intervenidos.

Tabla 1. Factor de frecuencia de uso Factor de simultaneidad Bloque B Conjunto Terrazas del Dorado

Tabla 2. Factor de frecuencia de uso Factor de simultaneidad Bloque 15 Conjunto La Bretaa

Tabla 3. Factor de Simultaneidad Factor de Frecuancia de Uso Edificio Ibis del Moral III

Las tablas indicadas anteriormente representan datos de anlisis de carga durante el perodo de una semana, cada tabla representa un estrato de consumo elctrico estratificado por la EEQ, no se verifico a infraestructuras de categora E, ya que el mencionado grupo de consumo no se registra en edificios residenciales, mientras que la categora A, incorpora a usuarios que exceden notablemente el consumo elctrico promedio, es decir usuarios que no encuentran ubicados en departamentos, si no en casas de amplias extensiones.

Factor de Potencia El factor de potencia un parmetro a ser tomado muy en

cuenta, para el dimensionamiento de la cmara de transformacin, ya que de este aspecto tcnico depende el rendimiento en el funcionamiento del transformador (Un factor de potencia bajo deriva a fallas tcnicas como el acortamiento de vida til de transformadores y conductores, registro de corrientes altas, recalentamiento, mayor consumo de energa), para aquello se verifico a detalle las distintas cargas que conforman la carga instalada dentro de un edificio residencial, entre las que se destaca las luminarias de descarga de gas (Focos ahorradores), equipos electrnicos, motores de ascensores, motores para bombas de agua, variador de frecuencia

Dentro de las muestras ya citadas, se efectu los anlisis necesarios para obtener los valores de factor de potencia por cada edificio muestreado.

De manera similar se constat el factor de potencia por departamento, para posteriormente obtener el valor de factor de potencia total de todo el edificio residencial de las muestras seleccionadas

Tabla 4. Factor de Potencia Parcial por departamento Conjunto Terrazas del Dorado

Tabla 5. Factor de Potencia Total por departamento Conjunto Terrazas del Dorado

Para la obtencin del factor de potencia por departamento, se detalla los factores de todos los dispositivos conectados a la red, ya que cada uno de estos repercute en el factor de potencia total del departamento analizado. Se debe resaltar que el valor de factor de potencia total no es una suma lineal.

Tabla 6. Factor de Potencia Parcial por bloque Conjunto Terrazas del Dorado

De manera similar al valor del parmetro elctrico obtenido anteriormente, se detalla los valores de factor de potencia de todos los departamentos para obtener un factor de potencia total de todo el edificio. Se debe recalcar el anlisis obligatorio, a los circuitos de servicios generales.

Tabla 7. Factor de Potencia Servicios Generales Conjunto Terrazas del Dorado

Tabla 8. Factor de Potencia Total Bloque B Conjunto Terrazas del Dorado

Puesta a Tierra

El salvaguardar principalmente a los residentes y personal tcnico que transitan cerca del centro de transformacin, adems de la proteccin y mayor

rendimiento de la instalacin elctrica es la funcin que cumple la puesta a tierra, dentro de los centros de transformacin el diseo de sistema de tierra se bas en valores de resistividad tpicos de los tipos de suelo que existe a lo largo de la ciudad de Quito, posteriormente realizar el respectivo clculo, segn la configuracin que se ajuste al diseo a realizar, sea este una solo varilla de tierra, dos varillas, n varillas en paralelo o varillas instaladas en los extremos del centro de transformacin. El valor a obtener de resistencia de puesta a tierra debe ser mximo 5 , con este valor asegurar el camino de corrientes de falla hacia tierra o a su vez poder eliminar las corrientes de tipo transitorio al de la red.

Figura 3. Estructuras metlicas aterrizadas a tierra

Sistemas Scada en Centros de Transformacin El monitoreo del sistema elctrico en el pas ha ido

tomando amplio campo los ltimos aos, pero lo que se refiere a centros de transformacin este tipo de tecnologa se la encuentra muy poco, el poseer este tipo de sistemas contribuira a encontrar fallas graves ocasionadas por factores de potencia alta, insercin de armnicos, adicional al encontrar usuarios con tendencia alta de derroche de la energa elctrica, estos usuarios podran ser localizados por al sensar la corriente en su acometida.

El proyecto plantea la utilizacin de equipo de monitoreo elctrico PM500, con el cual se permite medir diferentes magnitudes elctricas como voltaje, corriente, factor de potencia, presencia de armnicos en la red, el indicado equipo ofrece diferentes ventajas como comunicacin RS-485, ya que esta comunicacin permite la posibilidad de realizar interfaces grficas amigables para un futuro operador.

Figura 4. Equipo de medicipon elctrica PM 500

IV. DISEO

Dimensionamiento de Centro de Transformacin Ibis del Moral III

Para el dimensionamiento del centro de transformacin, los anlisis de simultaneidad y frecuencia se basan en las tablas desarrolladas en el anlisis del proyecto, de esta manera se obtiene la carga instalada representativa y demanda mxima unitaria total de edificio

Tabla 8. Carga instalada Representativa- Demanda Mxima Unitaria obtenida en Edificio Ibis del Moral III Departamento tipo 1

Una vez ya encontrada el valor de demanda mxima unitaria se suma las demandas por prdidas tcnicas, que en el caso de edificios residenciales representa el 1% del total de carga, el factor de potencia para sector residencial tiene un valor de 0,9, con el indicado valor se cubre a dispositivos como luminarias fluorescentes, equipos electrnicos, motores de ascensores.

Clculo de Potencia de Transformador en Kilo Voltamperios

JJKLMN =OPQKRSN.T

UO0VEWXYXZI[2TY2ZI

\@ Ecuacin 8

Donde:

JJKLMN $]^_

J`^KLaN J`b^KLaN

cJ cJ

J-de;ef+g)

A lo largo del desarrollo del presente proyecto se comprob las ventajas de los centros de transformacin, entre ellas las prdidas energticas mnimas, mayor aislamiento entre la red de bajo y medio voltaje, y la confiabilidad que este tipo de instalacin presenta.

El presentar parmetros bsicos de monitoreo de centros de transformacin, inicia la pauta para nuevos proyectos de tesis enfocados a monitoreo y control de centros de transformacin, en tems importantes como consumo energtico excesivo, desbalance de fases (Voltaje y corriente) y factor de potencia.

REFERENCIAS

1. Viqueira Jacinto, Redes elctricas. 1990

2. Kothari D.P., Sistemas Elctricos de Potencia. 2009

3. Castejon Agustn, Tecnologa Elctrica. 1993

4. Chapman Stephen, Mquinas Elctricas 2002

5. IEEE-SA Standards Board, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding

6. http://repositorio.utp.edu.co/dspace/bitstream/11059/1760/1/6213R196.pdf

7. http://www.leonardo-energy.org/espanol/lee-guia_calidad/guia%20calidad%203-1-1%20armonicos%20-%20interarmonicos.pdf

8. http://cipotato.org/region-quito/congresos/ii-congreso-ecuatoriano-de-la-papa/presentaciones/jespinoza.pdf

BIOGRAFA

Antamba Rivas Rommel Manolo. Naci en Quito, Ecuador el 09 de Marzo de 1987. Su educacin primaria la realiz en la Escuela del Ejercito Abdn Caldern, sus estudios secundarios en Colegio Militar Eloy Alfaro, y su educacin superior la realiz en la Escuela Politcnica del Ejrcito en la carrera de Ingeniera Electrnica en Automatizacin y Control. Actualmente se desempea en el rea de diseo e ingeniera de sistemas de elctricos y de control industrial.