curso especial
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Universidad Tecnológica de Puebla
Curso de diseño y análisis de instalaciones eléctricas en baja tensión y
manejo de la media y alta tensiónManual de Curso
Carrera
Electricidad y Electrónica Industrial
“Curso especial”
ContenidoPrimera Parte (I) Análisis de la BT
I Definiciones y conceptos básicosa) ¿Qué es una instalación eléctrica?b) Elementos que constituyen las instalaciones eléctricas
II Normas y Reglamentosa) Normas de calidadb) Marcas NF y marcas CEc) Norma oficial mexicana (la NOM 001-sede-1999)
III Tipos de Instalaciones (clasificación)a) Por su voltajeb) Por su uso y aplicaciónc) Tensiones normalizadas
IV Conjunto de Aparatos Eléctricosa) La Protección eléctricab) El seccionamientoc) El comando de Circuitos
V Elección de un “Contactor” para el comando eléctricoa) Ejemplo de aplicación
VI Protecciones Electricasb) Sobre intensidades (sobrecarga y cortocircuito)c) Dispositivos de Protecciónd) Fusiblee) Rele térmico y rele magnéticof) Disyuntorg) Disyuntor Diferencialh) Protección de Circuitos Terminales
VII Diagramas Eléctricosa) Diagramas unifilaresb) Diagramas trifilaresc) Diagramas topográficos
VIII Concepción de las Instalaciones Electricas en Méxicoa) Esquema de generación, distribución y transporte de la energía eléctrica en nuestro
paísIX Diseño y análisis de las instalación en BT
b) Método base (por disyuntor)c) Balance de potenciasd) Determinación de las proteccionese) Calculo de la sección de los conductoresf) Verificación de las caídas de tensióng) Calculo de corrientes de cortocircuitoh) Selectividad de las proteccionesi) Filiación y coordinación
X Tipos de Tierras y su aplicacióna) Efectos de los sistemas de tierrab) Tipo TTc) Tipo ITd) Tipo TN (TN-S y TN-C)e) Método para elegir una tierra
XI Reducción de la Potencia Suscrita a CFE (corrección del F.P)a) Interés de mejorar el F.P.b) Elección de una bateria de condensadoresc) Tipos de baterías de condensadores (standard, tipo H, tipo SAH)d) Filtros y Harmónicos en las instalaciones
XII Tarifas de CFEa) Tarifa azulb) Tarifa amarillac) Tarifa verde
XIII Alimentaciones de Emergenciaa) Principiosb) Grupos electrógenosc) UPS (off-line, line interactive, on-line)
XIV Gestión de la Energía Eléctricaa) Gestión de los circuitosb) Gestión de las alimentaciones
Segunda Parte (II) Análisis de la Media tensión (MT)
I Redes MTa) Topologías de las redes MTb) Principios de la distribución
II Tipos y elección de transformadores de distribucióna) Elección de un transformadorb) Elección de su dieléctricoc) Tipos de transformadores de distribuciónd) Protección de un transformador HT/BT
III Esquemas de las redes MTa) Topología radial b) Topología bucle abierto (corte de arteria)c) Topología doble derivación
IV Subestaciones Electricasa) Definición y tipos de subestacionesb) Elementos que las constituyenc) Identificación de células de llegada HT/BT
Tercera Parte (III) Alta Tensión
I Centrales Electricas a) Central nuclear
b) Central Hidráulicac) Central Eólicad) Centrales Geotérmicas
II Concepción de una Red HT
INTRODUCCIÓN :
El presente curso es un tutorial sobre el diseño de instalaciones eléctricas en baja tensión y el análisis de los costos, etc. También presenta de manera completa los principios de la media tensión y la alta tensión.El valor didáctico de este curso es de forma invaluable por su contenido y su síntesis para su fácil comprensión. Esta dividido en tres partes y una ultima parte de anexos para la consulta de temas específicos, además de un formulario de las expresiones más utilizadas en un curso de instalaciones eléctricas industriales.
I DEFINICIONES Y CONCEPTOS BÁSICOS
¿Que es una instalación eléctrica?
Objetivos: Económica y eficiente Fiable y segura Aptitud al mantenimiento Accesibilidad y distribución
Elementos que constituyen una instalación
Acometida: Es el punto de conexión entre la red y el alimentador que se abastece, se puede entender como la línea que por un lado tiene a la red eléctrica y por el otro lado tiene el sistema de medición.
Es un conjunto de elementos que permiten distribuir la energía eléctrica desde la planta generadora hasta los elementos que la consumen, tomando en cuenta la seguridad de bienes y de personas.
Equipo de medición : Es aquel que se coloca en la acometida de cualquier usuario con el propósito de cuantificar el consumo de energía eléctrica de acuerdo al contrato.
Interruptores : Dispositivo diseñado para abrir o cerrar un circuito eléctrico por el cual circula una corriente, también cubre la función de protección contra sobrecargas o corto circuito si esta previsto de los dispositivos necesarios.
Interruptor General: Es el que va colocado entre la acometida y el resto de la instalación, y cubre la función de desconexión y protección del sistema o red suministradora. Este interruptor debe ser de fácil acceso y operación, debe ser capaz de interrumpir las corrientes de corto circuito de la instalación. El interruptor puede ser : caja con cuchillas y fusibles, interruptor termomagnético, cortacircuitos o interruptor de potencia( en aire, al vacío, en algún gas o en aceite).
Interruptor derivado : Están colocados para proteger y desconectar contra sobrecargas y cortocircuitos, pueden soportar un gran número de operaciones de conexión-desconexión, es muy útil en el control manual.
Arrancador: Es el arreglo compuesto por un interruptor, ya sea termomagnético o de navajas con fusibles, un contactor electromagnético y un relevador bimetálico.Las ventajas de esta combinación son varias:
a) Se dispone del interruptor para la desconexión y conexión total del arrancador.
b) El arranque y paro del motor puede hacerse de forma remota.c) La protección contra cortocircuito puede lograrse con el termomagnético o
con los fusibles del interruptor de navajas.Contra sobrecarga se utilizan los relevadores bimetálicos , estos tienen constantes térmicas grandes que permiten sobrecargas instantáneas.
d) El arrancador puede tener botones para arranque, paro y prueba; luces indicadoras de varios tipos; tablillas de terminales para conectar el motor y unidades de control remoto.
e) El arreglo se logra con unidades compactas que facilitan el trabajo del proyectista.
M
Acometida
Medición
Apartarayos
Interruptor
transformador
Interruptor termomagnético
tablero
Transformador: Es el equipo que se utiliza para cambiar el voltaje al suministro requerido, estos transformadores se agrupan normalmente en varias subestaciones.
Tableros : Es un gabinete metálico donde se colocan instrumentos, interruptores, arrancadores y dispositivos de control.
Tablero General : Es aquel que se coloca inmediatamente después del transformador y que contiene un interruptor general. El transformador se conecta a la entrada del interruptor y a la salida se conectan barras que distribuyen la energía a través de interruptores derivados.
Centros de control de motores : Los arrancadores se agrupan en tableros conocidos como centros de control de motores, puede ser necesario incluir un interruptor general que se conecta utilizando barras de cobre.
Tableros de distribución y derivados : Cada área de una instalación es alimentada por uno o varios tableros derivados que pueden tener un interruptor general dependiendo de la distancia al tablero de donde alimenta y del numero de circuitos que alimente.
Estaciones o punto de control : Se clasifican las estaciones de botones para control, limitadores de carrera, indicadores de nivel, de temperatura, de presión entre otros.
Conductores y Canalizaciones: Es el tipo de conductor empleado para el transporte de energía eléctrica que puede ser de cobre o aluminio y con un aislante de tipo R o D; y la canalización es en donde se encontrara el conductor.
Salidas de Alumbrado y contactos : Son los que se encuentran al final de cada instalación y el proyectista debe asegurarse que la caída de voltaje este por debajo de lo permitido.
Motores y Equipos accionados por motores : Están al final de la instalación, cada motor debe tener su arrancador propio.
M
Interruptor termomagnético
Contactor
fusible
Cajas de botones
Elemento bimetálico
motor
Plantas de Emergencia : Gran cantidad de instalaciones posee una planta de emergencia para protegerse contra posibles fallas en el suministro de la energía eléctrica(especialmente hospitales), estas plantas de emergencia constan de un motor de combustión acoplado a un generador de corriente alterna. La conexión y desconexión del sistema se hace por medio de un interruptor de doble tiro que transfiere la carga del suministro normal a la planta de emergencia.
Contadores : Son elementos para medir la energía consumida en una instalación eléctrica, el contador está formado básicamente de tres aparatos:
Un amperímetro Un voltímetro Un reloj
Fotos de los elementos
II NORMAS Y REGLAMENTOS ( NORMA OFICIAL MEXICANA)
La comisión electrotécnica internacional ( CEI ) fija por objetivos:a) Mejorar la seguridad de las personasb) Evaluar la calidad de los productos y serviciosc) Contribuir a la protección del medio ambiente
Ella certifica que sus normas garantizan la compatibilidad y la interconexión de aparatos o sistemas eléctricos o electrónicos.
Normas de Calidad
Se aplican al proceso de fabricación a fin de garantizar la calidad del constructor y de los proveedores.
ISO 9003 control finalISO 9002 Proceso de fabricaciónISO 9001 Fabricación y concepción
Normas a respetar durante la concepción de una instalación:
Acreditación.- Reconocimiento formal de la competencia y la independencia de un laboratorio de pruebas.Certificado de conformidad.- Acto por el cual una tercera parte testigo, apruebe que un producto, servicio o proceso sea conforme a una norma o a otro documento especifico.Certificación de sistemas.- Acto que evalúa la conformidad de los sistemas de aseguranza de calidad de una empresa o modelos relativos a los sistemas.Conformidad.- Atestación correspondiente a una norma o texto de referencia.
Marca NF y marcas CE
CE indica el derecho de la libre circulación según la CEELa conformidad a las normas NF permiten de aportar a cada elemento la marca CE. (se encuentran en la carcasa de todo equipo o elemento).
Norma Oficial Mexicana (la NOM 001-SEDE-1999 )
El 27 de septiembre de 1999 fue publicada la NormaOficial Mexicana NOM-001-SEDE-1999, cancelando ala NOM-001-SEMP-1994, después de un proceso derevisión largo y complicado. Así, se dio inicio a unanueva etapa de la normatividad en la materia y a laactualización del proceso de evaluación de laconformidad de las instalaciones eléctricas en México a
través de Unidades de Verificación renovadas. Estanorma entró vigor en el mes de marzo de 1999.
Las normas que se aplican a cada instalación proceden de : Reglamento electrotécnico de baja tensión (REBT) Normas especificas de las comunidades autónomas Normas particulares de las compañías eléctricas Normas tecnológicas de edificación (NTE) Normas UNE
La más importante a respetar es el REBT que se divide de las siguiente manera:
Capitulo Numero de articulo Articulo1 Articulo del 1 al 9 Generalidades2 Articulo 10 Redes de distribución de BT3 Articulo 11 Instalaciones de alumbrado publico4 Artículos del 12 al 18 Suministro de baja tensión5 Artículos del 19 al 21 Instalaciones de enlace6 Articulo 22 Instalaciones interiores7 Articulo 23 Receptores y puesta a tierra8 Artículos del 24 al 26 Autorización, puesta en servicio y comprobación9 Artículos del 27 al 34 Responsabilidades y sanciones
III CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
Clasificación de las instalaciones eléctricas por su voltaje
1.- Instalaciones no peligrosas: menor a 12V2.- Instalaciones de baja tensión: menor o igual a 750V “baja tensión”3.- Instalaciones de media tensión.: de 750V – 34KV “media tensión”4.- Instalaciones de alta tensión : mayor de 34 KV “alta tensión”
Clasificación de instalaciones eléctricas
1.- Abiertas (conductores visibles)2.- Aparentes (conductos o tubos)3.- Ocultas ( dentro de falsos plafones)4.- Ahogadas (en muros, techos o pisos)
Clasificación de las instalaciones eléctricas por su uso
1.- Instalaciones Normales: Interiores y exteriores2.- Instalaciones Especiales: Se encuentran en ambientes peligrosos (humedad o polvo)
Tensiones NormalizadasTensión Muy alta Alta media bajaVoltios 420 000
380 000220 000
132 00066 00045 000
35 00015 00010 0006 0005 0003 000
1 000380220127
Tensiones Normalizadas de la BTMonofásicas Trifásicas
110220
127 fase-neutro220 fase-neutro220 entre fases380 entre fases440 entre fases
IV CONJUNTO DE APARATOS ELÉCTRICOS EN LAS INSTALACIONES
El rol del conjunto de aparatos eléctricos de un circuito es de asegurar la protección eléctrica, el seccionamiento y el comando de los circuitos.
La protección eléctrica
Protección contra sobre intensidades.- es la protección de bienes (notablemente de canalizaciones y equipos):
Contra las sobre intensidades y sobre cargas que se producen en un circuito eléctricamente sano.
Contra los cortos circuitos consecutivos a un defecto en un circuito entre varios conductores.
En general esas protecciones son aseguradas por disyuntores, deben ser instalados al origen de cada circuito.
Protección contra los defectos de aislamientoEs la protección de las personas. Según la tierra utilizada, la protección será realizada por disyuntores, dispositivos de aislamiento o dispositivos diferenciales.
Protección contra los riesgos de calentamiento de motoresEstos efectos son debidos a una sobrecarga prolongada, a un bloqueo del rotor o a un funcionamiento en monofásico, la detección de las sobrecargas es confiado a un relé térmico, la detección de un cortocircuito es confiada a un fusible de tipo aM o a un relé de tipo magnético.
El Seccionamiento
Su meta es de aislar un equipo o un aparato del resto de la instalación eléctrica a fin de garantizar la seguridad de las personas que intervienen a niveles dentro de a instalación para dar mantenimiento o reparación.La norma impone que todo circuito deberá ser seccionado.Las condiciones a respetar para reunir esta función son:
El corte debe ser omnipolar Debe de ser fiable al arco de corriente en posición “abierta”.
El comando de Circuitos
Se reagrupa generalmente bajo el término de “comando” todas las funciones que permiten al interesado de intervenir a niveles diferentes de la instalación sobre los circuitos en carga.
Comando funcionalDestinado a asegurar en servicio normal la “puesta” y “fuera” de tensión de todo o una parte de la instalación, está situada a lo mínimo:
Al origen de toda la instalación Al nivel de los receptores
Corte de emergencia- paro de emergenciaEl corte de emergencia está destinado en poner fuera de tensión un aparato o un circuito que será peligroso de mantener bajo tensión. El paro de emergencia es un paro de urgencia detener un movimiento que podría ser peligroso, en dos casos:
El dispositivo debe ser fácilmente reconocible y rápidamente accesible El corte en una sola maniobra y en carga a todos los circuitos debe ser
exigido La puesta bajo “cofre de seguridad” está autorizado.
V Como Elegir un Contactor para el comando de circuitos eléctricos
Variador de velocidad
24k/ 400V + neutro
QS NS 400N con STR22SE 400A
QD1 QD2 QD3 NS160 con TMD 160
Cable 50mm2 Cu PACIz = 153 AL = 30m
Q0
KL
Circuito de control -comando
Q3 Q1 Q2
KM3 KM1 KM2
Cable 2.5mm2
Iz = 21 A F1 A2
15kW 30kw 72kW
Elección de Materiales
Temperatura ambiente: 40º C
El motor M1 es un motor a jaula de ardilla en arranque directo. El paro se hace siempre a motor lanzado.El será protegido contra las marchas en monofásicoIntensidad de arranque Id= 7In; tiempo de arranque : td = 12sKM1 : 3.5 millones de ciclos de maniobra El motor M2 tiene un par nominal máximo de 1.2 veces el par nominal
Tensiones de comando de las bobinas de los contactores 24 V ca
Para elegir el Contactor KM3 el numero de ciclos de maniobra es de 0.7 millones
VI PROTECCIONES ELÉCTRICAS
Para proteger un circuito eléctrico es necesario protegerlos de sobre intensidades que son debidas a sobre cargas o a corrientes de corto circuito.
Para proteger circuitos de sobrecargas se pueden utilizar fusibles calibrados teniendo en cuenta las características de estos y las del circuito que hay que proteger, o bien con un PIA (pequeños interruptores automáticos )que poseen curvas térmicas de corte.
Sobre intensidades: Es toda corriente superior al valor asignado nominal (In) , ella es debida a sobrecargas o a un corto circuito.
Sobre cargas:
Temporales: arranque de un motor asíncrono, puesta en tensión de transformadores, bateria de condensadores.
I
t
I
t
I
tSobrecarga temporal Sobrecarga prolongada Corto circuito
Prolongadas: ruptura de una fase, motor con sobrecarga en el eje del rotor, funcionamiento abusivo de varios aparatos.
Corto circuito: Contacto físico de cables desnudos, defectos de aislamiento.
Todo sistema eléctrico diseñado debe de ser capaz de:a) Aislar rápidamente la porción afectada del sistema,de manera que minimice el efecto y se mantenga elservicio tan normal como sea posible.
b) Reducir el valor de la corriente de cortocircuito, parareducir los danos potenciales al equipo o partes dela instalación.
c) Proveer al sistema, siempre que sea posible, delmedio del recierre automático, para minimizar laduración de las fallas de tipo transitorio.
Por lo cual un sistema de protección, lo podemos definircomo: “La detección y pronto aislamiento de la porción afectadadel sistema, ya sea que ocurra en cortocircuito, o bien, en otra
condición anormal que pueda producir daño a la parte afectada oa la carga que alimenta”.
Dispositivos de Protección
Para proteger una instalación eléctrica es necesario:
El FusibleEl principio de un fusible consiste en introducir en el circuito un conductor calibrado que, en caso de sobre carga, se calentara por efecto joule hasta alcanzar su temperatura de fusión.
Por su aplicación Fusibles tipo G1 :son fusibles rápidos, para usos generales.Fusibles tipo Am : son fusibles para uso exclusivo de arranque y cortocircuito de motores trifásicos
Símbolo:
Supervisar Detectar Intervenir
Elección de un fusibleHay que verificar únicamente dos cosas:
Ubicación : Los fusibles irán ubicados en la misma caja en donde se alojan los mecanismos utilizados para activar los distintos elementos que forman parte de la instalación.
Ejemplo:
Relé Térmico o bimetálico y Relé electromagnético
El relé térmico es utilizado durante las sobre cargas débiles y de larga duración.El relé magnético es utilizado durante las sobrecargas fuertes y breves.
Símbolos:
El relevador térmico tiene un sensor de temperatura bimetálico, constituido por dos laminas de distinto coeficiente de dilatación unidas mecánicamente mediante un proceso de dilatación. La circulación de una corriente por el elemento bimetálico aislado provoca variaciones de temperatura que lo deforman y accionan un micro interruptor.
Los relevadores electromagnéticos son elementos sensores que operan por la interacción de flujos electromagnéticos, producidos en diversos núcleos o trayectorias magnéticas producidas por corrientes proporcionales a las corrientes o voltajes de los circuitos a vigilar.
El disyuntor
En general ellos protegen contra las sobre cargas y los corto circuitos.El disyuntor es un aparato capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes ,
IB In Iz
If 1.45 Iz
Fusible protegiendo el primario del transformador
Relé térmico relé magnético
así que de establecer y soportar durante un tiempo dado y de interrumpir corrientes en las condiciones normales del circuitoEl disyuntor esta constituido por una caja moldeada por terminales y una palanca para su accionamiento. En el interior están los contactos (uno fijo y otro móvil) que tienen una cámara para la extinción del arco. El sistema de disparo trabaja a base de energía almacenada : al operar la palanca para cerrar los contactos, se oprime un resorte donde se almacena la energía; al operar los dispositivos de protección se libera la energía, y la fuerza del resorte separa los contactos.
El símbolo de un disyuntor termo magnético es:
Pdc (poder de corte de una corriente)El Pdc de un aparato corresponde a la corriente mas grande que es capaz de interrumpir por un F.P. dado en KVA eficaces.Los aparatos con fuerte poder de corte son el fusible y el disyuntor.
Elección de un disyuntor
Para elegir una buena protección hay que verificar que :
La curva de un disyuntor
En la curva del disyuntor se puede observar la zona del umbral térmico y magnético, los cuales son fijas en los disyuntores pequeños y regulables en los disyuntores industriales.
IB In Iz
Pdc Icc
Ib InIb Ir f (Iz)Im Icc1 ( si hay neutro)o Icc2 (si no hay neutro)Icu Icc3 I2 t k2Sc2
Ib Ir Im
Sobre cargaIe Iz
Corto circuito
Disyuntor Diferencial
DDR( dispositivo diferencial residual)En el caso de monofásicobipolar para corrientes importantes en monofase tripolares y tetrapolares.
Se utiliza cuando el neutro esta unido directamente a tierra y está constituido esencialmente, por un núcleo magnético , bobinas conductoras y bobinas con dispositivo de corte.Cuando la intensidad que circula por los dos conductores no es igual, por haber una fuga a tierra (IT), el campo magnético resultante no es nulo, induciéndose una corriente en la bobina del dispositivo de corte, el cual actúa interrumpiendo el circuito. Se llama sensibilidad del diferencial a la mínima intensidad de corriente de fuga a tierra para la que el aparato desconecta.
Símbolo:
Protección de los circuitos terminales
Hay que proteger el circuito y el receptor.
Tubos fluorescentesHay que modificar el reglaje magnético, si la corriente provoca la apertura de los contactos del disyuntor. El aparato de comando debe tener un gran numero de maniobras de tele comando.
El alumbrado y calefacción Normalmente la protección va ligada al cable.
Fuerza MotrizUn contactor para comandarloUn fusible aM permite dejar pasar la corriente de arranque y protege contra las Icc, un dispositivo térmico protegerá contra las sobre cargas.En general se puede utilizar un contactor disyuntor termo magnético.
TransformadoresHay que prever una protección al primario, el dispositivo no debe cortar la corriente. Se puede utilizar un disyuntor curva D, o un disyuntor para retardar el corte y que pueda dejar pasar la corriente.
VII DIAGRAMAS UTILIZADOS EN LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
Existen dos tipos fundamentales de diagramas esquemáticos utilizados para las instalaciones eléctricas industriales:
Diagramas unifilares Diagramas trifilares
Los diagramas unifilares nos sirven para poder realizar el análisis y calculo de una instalación eléctrica, y generalmente son de la forma arborescente, se muestra un ejemplo de diagrama:
En los diagramas trifilares nos muestra como esta interconectados los elementos entre si , y nos da una reseña de la conexión física y real de la instalación, en el siguiente ejemplo se muestra :
También existen como auxiliares los planos topográficos en los cuales se nos muestra una visión de cómo van a quedar acomodadas los elementos principales de la instalación y sus tuberías dentro de un lugar.
VIII CONCEPCIÓN DE INSTALACIONES EN MÉXICO
El sistema de infraestructura de la transmisión y distribución de energía eléctrica en nuestro país se hace en CA, utilizando para su medio de generación un generador eléctrico que se mueve gracias al aprovechamiento de alguna fuerza en la naturaleza (agua, vapor, aire, mar, nuclear, etc.). Para la transmisión de esa energía se utilizan las subestaciones, las cuales elevan o reducen el nivel de tensión, las líneas de transmisión y transporte se encargan de llevar esa energía largas distancias hacia las subestaciones situadas en las cercanías de las ciudades y comunidades y esta ultima se encarga de transformar la tensión hacía los niveles óptimos para su utilización ya sea doméstica o industrial.
América y Asia EuropaTensión doméstica 120 Vrms 220 VrmsTensión industrial 220 Vrms 340 Vrms
En el siguiente diagrama se ejemplifica la generación , transporte y distribución de la energía eléctrica en México.
Generador eléctrico.Esta mecánicamente conectado al eje de una turbina que se mueve gracias a la fuerza de una central hidroeléctrica o termoeléctrica, este movimiento provoca que el generador transforme la energía mecánica en energía eléctrica.
G
Transformador de unidad.Se encarga de transformar la potencia de salida del generador desde 20KVA- 400KVA
Red de transmisiónLa red de CFE en México es de aproximadamente 47925Km y comporta tensiones de ( 400, 230, 161KV)
Subestaciones Reductoras y de transformación.Realizan la transformación de las tensiones y son el enlace entre la red de transmisión y la red de distribución.
Red de distribución.Sus longitudes son de 47403Km y 611329 Km y comporta tensiones de (138, 115, 85, 69KV)
Nota: Algunos grandes consumidores se alimentan directamente bajo la tensión de 69 KV, 34.5, 23, 13.8, 6.6, 4.6 y 2.4 KV.
La red de distribución alimenta a los consumidores industriales
Otra parte de la red alimenta al consumidor domestico bajo tensiones de 120Vrms
IX DISEÑO Y ANÁLISIS DE COSTOS DE UNA INSTALACIÓN EN BT
El diseño es amplio y bastante largo, por lo tanto casi siempre se busca la ayuda en alternancia de un software especializado que sirva de verificación en el análisis de la instalación en BT.
El estudio de una instalación consiste en determinar las canalizaciones y sus protecciones eléctricas comenzando al origen de la instalación hasta llegar a todos los circuitos terminales.
Cada conjunto de aparatos eléctricos constituido por la canalización y su protección debe responder simultáneamente a varias condiciones para asegurar la fiabilidad y seguridad de la instalación:
Vehicular la corriente de empleo (Ie) permanente y sus puntos transitorios normales
No generar caídas de tensión susceptibles a no hacer funcionar ciertos receptores.
El disyuntor o fusible debe: Proteger la canalización sobre todas las sobrecargas hasta alcanzar
la corriente de cortocircuito Asegurar la protección de personas contra los contactos indirectos
en el caso en donde la distribución se apoye sobre el principio de protección de tierras, sea IT o TN.
Las etapas a respetar son las siguientes:
Método de base (Protección por disyuntor)
1.-Se realiza el balance de potencias de la instalación (basado por el teorema de Boucherot) tomando en cuenta los coeficientes Ks, Ku , Ke (Coeficiente de simultaneidad, coeficiente de utilización y coeficiente de extensión). Esto permitirá determinar las corrientes de empleo I B y dimensionar el transformador.2.- Con la corriente nominal del transformador y las corrientes de empleo se determinan los calibres (corriente asignada) de los disyuntores y eventualmente la corriente de reglaje (Iz = Ir o Iz = In).3.-A partir de Ir y sus factores de corrección K1, K2,K3, Kn, Ks se determina la corriente ficticia que va a permitir la elección de la sección transversal de los conductores y la canalización. El efecto de Peau limita la sección a 300mm2 , verificar la regla del 5% que dice que un cable puede soportar 5% de corriente de mas.4.-Se verifica (por calculo o por grafico) que la caída de tensión máxima es inferior a la de los limites impuestos por la norma.(*)5.- Determinación de las corrientes de corto-circuito.6.-Elección de disyuntores con Pdc Icc3max y de su parámetro Im Icc2min.
7.- Verificación de la constante térmica de los cables.(*)8.- Verificación de la selectividad (*)9.- Protección de las personas : según la tierra elegida, calculo, elección de los materiales y verificación de la selectividad. (*)(*) : es necesario retomar el estudio de arriba para validar esta condición.
Balance de Potencias
Circuitos Terminales
Para analizar estos circuitos primero se tiene que estimar la corriente de empleo IB, la potencia activa (P) y la potencia reactiva (Q).
En el caso de motores tenemos:
F.P. y Pu están en la placa del motor.
Y se estima la corriente:
En el caso de circuitos de iluminación con tubos fluorescentes la potencia consumida debe ser (+25%) y también consumen energía reactiva.
Estimación de la corriente de empleo en los circuitos de distribución
El primer paso es sumar vectorialmente todas las potencias activas (P) y reactivas (Q) de cada circuito, la potencia aparente (S) es el modulo de la suma vectorial de las potencias.
P = Ku Pu N
Q = P tan
Pu = potencia útil Ku= factor de utilizaciónN= rendimiento
IB = P U 3 Cos
S
Q1
Q2
Q3
P1 P2 P3
P = Ka Ks Pi = Ka Ks ( P1+P2+P3)
Q = Ka Ks Qi = Ka Ks (Q1+Q2+Q3)
Ka = factor de crecimiento el cual permite predecir la evolución de la instalación.Ks = factor de simultaneidad el cual se aplica a los circuitos tomando en cuenta que no todos los aparatos eléctricos funcionan al mismo tiempo.
También se les aplica a un circuito de tomas eléctricas aplicando el factor de simultaneidad.
La corriente de empleo se deduce de la potencia aparente:
Determinación de las Protecciones
Para poder elegir una protección solo hay que verificar dos cosas:La elección se realiza con la ayuda de las tablas de (disyuntores y sus características).
In > Ib Pdc > Icc
Para la elección primaria del disyuntor se debe tomar el que se encuentre mas próximo en su valor nominal (In) inmediatamente superior a Ib.
Protección reglable de los disyuntores (sobre cargas y cortocircuitos) y elección de las unidades de control Micrologic y Masterpact.
Retardo largo Ir = In xInstantáneo Isd = Ir x
Ks = 0.1 + 0.9 N N = numero de tomas electricas.
S = P2 + Q2 Ib = S U 3
Las unidades Micrologic A protegen a los circuitos de potencia. Estas contienen las medidas, los parámetros de corriente en pantalla y de comunicación. La versión 7.0 incluye la protección diferencial.Las unidades de control Micrologic P incluyen todas las funciones de la unidad Micrologic A, las medidas de tensiones y calculan las potencias y energías. De nuevas protecciones basadas en sobre las corrientes, tensiones, frecuencias y potencias refuerzan la protección de los receptores.
Determinación de la sección transversal de los conductores
El elemento para la distribución eléctrica recibe el nombre de conductor. Los materiales utilizados como conductores son los metales, básicamente el cobre y el aluminio, los conductores rígidos utilizados en instalaciones eléctricas pueden ser de aluminio o de cobre, mientras que para conductores flexibles solamente serán de cobre.
Para determinar la sección transversal de los cables hay que tener en cuenta lo siguiente:
Factor K = K1xK2xK3xKnxKs Después aplicar la siguiente relación:
Iz = Ir / k
Finalmente verificar que:
Ib< In < Iz
Sección de los conductores de Protección
El conductor de protección eléctrica reúne todas las masas metálicas de los aparatos eléctricos en un solo punto.El permite el escurrimiento de la corriente de defecto de aislamiento hacia la tierra (verde-amarillo)Este conductor no debe llevar un aparato de interrupción ni de protección.
Sección del neutro
Utilizado por los receptores monofásicos, las corrientes harmónicas de rango 3 y múltiplos son condicionados para la presencia del neutro.En trifase el conductor neutro reencuentra la suma algebraica de los harmónicos 3 de cada fase.
La sección del neutro debe ser igual o superior a aquella de los conductores fase.La elección de una sección inferior a los conductores fase respecta ciertas reglas.
Los factores se refieren a:
K1= modo de colocación de los conductoresK2 = influencia mutua de otros circuitosK3 = la temperaturaKn= si el neutro está cargadoKs= la simetría
Sf 16mm2 Sf = Spe16mm2 Sf 35mm2 Spe = 16mm2
Sf 35mm2 Spe = Sf 2
Método simple
Casos particulares:
Sc16mm2 para el cobre y Sc 25mm2 para el aluminioPotencia monofásica 10% Potencia total
El conductor del neutro debe ser protegido por su propio aparato asociado al monofásico.
Verificación de las caídas de Tensión
La impedancia de un cable es débil pero no nula, mientras que una corriente lo atraviesa existe una caída de tensión entre su extremidad y el origen del mismo.
La norma nos impone las caídas de tensión maximas:Iluminación Fuerza Motriz
Monofásicos 3% 5%Trifásicos 6% 10%
Formulas de calculo para las caídas de tensiónAlimentación Caída de tensión(V CA) En %Monofásico (dos fases) ΔU = 2Ib L (Rcosφ + X Senφ) 100Δ% /UnMonofásico (fase y neutro) ΔU = 2Ib L (Rcosφ + X Senφ) 100ΔU% /VnTrifásico (con o sin neutro) ΔU = √3 Ib L (Rcosφ + X Senφ) 100Δ% /Un
El método alternativo más sencillo y más utilizado es el grafico, el cual es de gran ayuda para calcular rápidamente la caída de tensión de un receptor.
Para aplicar este método hay que recurrir a las tablas impuestas por el catalogo Schneider Electric, en el cual buscaremos un factor que depende de la sección transversal del conductor como de la corriente que porta y su F.P.
En el buen funcionamiento de un motor depende de la tensión que este reciba entre sus terminales, por lo tanto es necesario limitar las caídas de tensión entre el origen y el receptor.
Abonado abonado BT propietario
receptor
Y finalmente bastara con aplicarle a este factor la siguiente formula:
Determinación de las corrientes de cortocircuito
Modelización de los elementos de una instalación
Estos elementos son modelizados a fin de calcular la corriente de corto circuito Icc en diversos puntos de la instalación con el fin de:
Elegir y reglar las protecciones Verificar los problemas térmicos
Se remplaza cada elemento por una resistencia en serie con una inductancia.
Se toma en cuenta el circuito terminal para calcular las caídas de tensión.
La impedancia de la fuente depende de su potencia de corto circuito (baja tensión).
ΔU = L(factor de tabla) / 100
M
Fuente
transformador
barras
Circuito de distribución
Circuito terminal
Vcaída de tensión
R- X en serie
Z = U202 si no X = 0.995Z
Scc R = 0.01X
El transformador es modelizado por la resistencia de los enrollamientos et la impedancia de
Fuga en el secundario.
Un disyuntor se modeliza por una débil inductancia.
Las barras y los cables por un circuito R- X en serie.
Los pasos para realizar el cálculo de Icc(max) son los siguientes:1.- Determinar las resistencias totales de todos los elementos (R1+R2+R3+...) Y sus reactancias (X1+X2+X3+...)2.- Aplicar la formula:
El cálculo es necesario para verificar el PdC y el problema térmico. El corto circuito es calculado en la parte superior de la canalización, justo arriba del disyuntor. En trifásico Icc3. Solo las impedancias colocadas abajo del defecto son tomadas en cuenta.
Para calcular Icc(min.) y poder realizar el reglaje de umbral magnético en corto retardo, el cálculo se hace al final del cable para tomar en cuenta toda la impedancia de la línea, este corto circuito se calcula entre fase y neutro:
Entre fase y neutro:
Z = U202 Ucc % R = Pcu U20
2 Sn 100 Sn 2
X = Z2 – R2
Sn = potencia aparente nominalPcu = perdidas joule
R = valor negligente X = 0.15m
R = l S
X varía entre 0.01mm y 0.07mm Siguiendo la sección.
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Icc1 = Uo 3 (Rf+Rn )2 +(Xf+Xn)2
Entre fases:
Se considera un solo transformador en servicio y todas las impedancias arriba del defecto son tomadas en cuenta.
Efectos Térmicos
Se producen por efecto Joule: La destrucción del elemento Riesgo de incendio
El producto I2t es llamado constante térmica.
Icc2 tc K2 Sc2
Efectos electrodinámicos
Las corrientes de corto circuito provocan esfuerzos electrodinámicos que pueden provocar la destrucción de los aparatos eléctricos.
Los efectos electrodinámicos producen vibraciones importantes , el tablero general de baja tensión debe poder soportarlos.
Si existen dos conductores físicamente próximos , y si alguno o ambos porta corriente entonces experimentaran las fuerzas de Laplace debido al campo magnético creado por cada uno de ellos.
Selectividad de las Protecciones eléctricas
En una instalación hay varios dispositivos de protección en serie, una corriente de corto circuito es detectada entonces por diversos dispositivos.
Debe haber una coordinación y buscar dos objetivos: Reducir los costos de la instalación (filiación) Mejorar la disponibilidad de la energía (selectividad)
La selectividad es total si cualquiera que sea el valor de la corriente de cortocircuito solo el disyuntor que se encuentra arriba se abre.
La selectividad es parcial si para ciertos valores de corriente de cortocircuito varios aparatos se abren.
Icc2 = Uo 2 3 (Rf )2 +(Xf )2
Selectividad Amperimétrica
Para esta selectividad es posible de recorrer el umbral de apertura del dispositivo situado arriba.Umbral inferior a la Icc(1 o 2) del cable protegido.El disyuntor situado abajo puede ser un dispositivo que limita Icc3 Así el disyuntor situado justo arriba no ve la corriente que dispara al disyuntor que se encuentra abajo.
Nota : la selectividad amperimétrica raramente alcanza la selectividad total.
Selectividad Mixta
Esta solución consiste en retardar el umbral de apertura de arriba, pero esto hace que aumente la constante térmica que puede soportar el cable.Para limitar el problema hay que prever la apertura instantánea para un valor superior a Icc máxima.
Selectividad Lógica
Estos disyuntores son equipados por disparadores electrónicos con un bus de información del tipo fil-pilot para la rapidez.
D2 D1
Icc3 Icc2 o Icc1
I
T
Im2 Im1
I
TD2 D1
Tr
Im2 Im1
IinstD1> Icc3ImD1 < Icc2 cable arriba
Im1< Icc2 cable arriba
Si un disyuntor detectar un defecto, el informa a los disyuntores situados arriba y corta el circuito si el no recibe una señal de un disyuntor de abajo.En el caso contrario , el deja al disyuntor de abajo eliminar el defecto.
Filiación y coordinación
La filiación es la utilización del poder de corte Pdc de los disyuntores, que permite instalar abajo los disyuntores menos performantes.
La ventaja de la filiación es que gracias a la instalación de disyuntores de Pdc inferiores serán instalados bajo un disyuntor limitador, esto provoca cambios sustanciales en la economía de la instalación.
Ejemplo de filiación a 3 etapas
X TIPOS DE TIERRAS Y SU APLICACIÓN
Efectos de la corriente en el cuerpo humano
La filiación se realiza mediante estos tres disyuntores, A es el disyuntor limitador de B y C , y B es delimitador de C.El disyuntor de cabeza NS250 (Pdc=150kA) para una Icc = 80A Se puede elegir un NS100 (Pdc=25kA) ya que el disyuntor de arriba actúa como limitador y refuerza en su poder de corte al disyuntor B.El C60 con (Pdc = 10kA) también se refuerza con el disyuntor B.
Los efectos de una corriente de alterna a frecuencia mas elevada (200-400Hz) son riesgosos en efectos de una quemadura de grave intensidad puesto que a mas frecuencia la impedancia del cuerpo humano disminuye.
Efectos de la corriente continua (C.C.)La CC aparece como una corriente menos peligrosa que la CA, puesto que en la corriente continua es mas difícil de soltarse de un electroshock en nuestras manos. En CC el umbral de fibración cardiaca es mucho mas elevado.
Contacto directo.- contacto de las personas con las parte activas de los materiales eléctricos (conductores o piezas bajo tensión).
Contacto indirecto.- contacto directo de las personas con masas o carcasas puestas accidentalmente a tensión debido a un defecto de aislamiento.
Paro cardiaco
Umbral de fibración cardiaca irreversible
Umbral de parálisis respiratorio
Contracciones musculares
Sensación muy débil
Para poder proteger a las personas de estos tipos de contactos existen tres tipos de tierras utilizadas, la TT, TN e IT.
Régimen del neutro tipo TT
Este tipo de tierra indica que la protección de las personas se realizara de la siguiente manera:La primer letra indica hacia donde se conecta el neutro.La segunda indica la manera de interconectar todas las masas y hacia donde.
Características:
El transformador es ligado directamente a tierra Masas de utilización puestas directamente a la tierra Intensidad de corriente del defecto (Id) limitada únicamente a las
resistencias de toma de tierra. Masas de utilización puestas a tierra por un conductor PE distinto al neutro. La solución más simple en el estudio de la instalación Corte obligatorio al primer defecto por un dispositivo diferencial residual
DDR colocado a la cabeza de la instalación. Extensiones sin cálculo de las longitudes de la canalización
Se define por norma a la tensión la mas elevada que puede ser mantenida sin corte en una persona como:
UL = 50 V
No necesita supervisión permanente , solo la verificación periódica del DDR.
Régimen del neutro aislado IT
Características:
Punto neutro del transformador aislado de la tierra o ligado por un dispositivo de alta impedancia
Las masas de utilización son puestas e interconectadas a una misma toma de tierra.
La intensidad de la corriente del 1er. Defecto no puede crear una situación peligrosa
La intensidad de corriente del 2do defecto es importante Las masas son puestas a tierra por un conductor PE distinto del conductor
neutro El primer defecto de aislamiento no es peligroso ni perturbador No hay necesidad de reaccionar ante el primer defecto lo que permite
mayor continuidad de servicio Señalización obligatoria del primer defecto y búsqueda de su eliminación
realizada por el controlador permanente de aislamiento instalado entre neutro y tierra
Reacción obligatoria a segundo defecto de aislamiento por os dispositivos de protección contra sobre intensidades.
Necesita un personal de mantenimiento para la búsqueda y eliminación del primer defecto de aislamiento
Solución la más fiable para la continuidad de servicio de la instalación Necesita instalar receptores con una tensión de aislamiento fase/masa
superior a la tensión de línea (caso del primer defecto).
Régimen TNTN –S
Características:
Punto neutro del transformador y PE ligados directamente a tierra Masas de utilización puestas a PE y esté ligado a tierra Intensidades de aislamiento importantes (riesgos de incendios) Conductor neutro y conductor PE separados Reacción obligatoria al primer defecto de aislamiento por los dispositivos
contra las sobre intensidades El uso de DDR es siempre recomendado para la protección de personas La verificación de la reacción a la apertura debe estar efectuada por:
Un estudio por cálculo Obligatoriamente en la puesta en servicio Periódicamente (todos los años) por medidas
En caso de renovación o de extensión esas verificaciones deberán ser hechas de nueva forma
TN – C
Características:
Punto neutro del transformador y conductor PEN puestos a tierra directamente
Masas de utilización ligadas al conductor PEN y este puesto a tierra Intensidades de aislamiento importantes (riesgos de incendios) Conductor neutro y conductor de PE confundidos La circulación de las corrientes del neutro en los elementos conductores del
edificio y las masas, es el origen de incendios y por los materiales sensibles (medical, informáticos, comunicaciones) de caídas de tensiones perturbadoras
Reacción obligatoria al primer defecto de aislamiento por los dispositivos contra las sobre intensidades
La verificación de la reacción a la apertura debe estar efectuada por: Un estudio por cálculo Obligatoriamente en la puesta en servicio Periódicamente (todos los años) por medidas
En caso de renovación o de extensión esas verificaciones deberán ser hechas de nueva forma
La utilización de DDR para la protección de personas es recomendado
Método para elegir un buen tipo de Tierra ( TN, TT o IT?)
1) Asegurarse de que el tipo de tierra de la instalación no se encuentra recomendado por la legislación de la norma dependiendo del local.(tabla A)
2) Buscar con el usuario o su representante las exigencias de continuidad de servicio o de productividad (servicio de mantenimiento)(tabla B).
3) Consultar con el usuario las sinergias entre los diferentes tipos de tierra y las perturbaciones electromagnéticas.(tabla C)
4) Verificar la compatibilidad entre la tierra elegida y ciertas características de la instalación o de ciertos receptores (tabla D)
XI REDUCCIÓN DE LA POTENCIA SUSCRITA A CFE (CORRECCION DEL F.P.)
CFE Puede proveer la energía reactiva, pero esta entrega sobrecarga las líneas de transmisión y los transformadores. Es la razón por la cual, mientras que la electricidad se entrega en media tensión MT. CFE elige el umbral de facturación de energía reactiva.
Cos = 0.95 Tan = 0.4
Una cantidad del 40% de energía reactiva con respecto a la energía consumida es dada gratuitamente
Interés de un buen F.P.
Los beneficios de mejorar el Cos φ para el industrial y el consumidor en general son los siguientes:
Reduce pagos a CFE Disminuye las corrientes en las líneas y optimiza el transformador Reduce las perdidas, la sección de los conductores y las caídas de tensión
Toda máquina eléctrica que funcione con corriente alterna consume energía activa (P) y energía reactiva (Q).La energía activa P(kW) se transforma generalmente en potencia mecánica y en calor.La energía reactiva Q(kvars) sirven para la alimentación de los circuitos magnéticos.La potencia aparente S(KVA) es la suma vectorial de P y Q, así se podrá dimensionar la instalación.
La determinación de la compensación, la mas adaptada toma en cuenta: Potencia a instalar (tensión, tipo de batería de condensadores,
contaminación harmónica). Localización (global, local, individual, fija o automática). El tipo de condensador.
Para calcular la energía reactiva que se va a compensar en un punto dela instalación se aplica la formula siguiente:
Donde:Q→potencia reactiva requerida para la correcciónP→potencia activa útil Φ1→angulo actual en la instalaciónΦ2→angulo nuevo( al que se quiere corregir).
Si se desea saber el valor de la capacitancia a instalar , entonces la formula se le agrega una pequeña variación, lo que nos da:
Q = P ( Tanφ1 – Tanφ2 )
C = P ( Tanφ1 – Tanφ2 ) Vrms2ὼ
Elección de una batería de Condensadores
1era. Etapa.- Cálculo de la potencia reactiva necesaria A partir de facturas de electrificación y folletos de gestión A partir de los datos de la instalación
2da. Etapa.- Elección de una compensación fija o automática3era. Etapa.- Elección de un tipo de equipos de compensación : compensación estándar, tipo H, tipo SAH.
Primera Etapa:
Tomar la factura de CFE en la cual los KVAR son facturados Verificar la Tangente primaria de esta factura Elegir la potencia activa facturada en el periodo, ya sea en Watts o HP Aplicar la formula:
Qc = P ( Tan φ – 0.4)
Segunda Etapa: (¿fija o automática?)
Batería fija : → si la potencia de la batería es < 15 % de la potencia del transformadorBatería automática:→ si la potencia de la batería es > 15% de la potencia del transformador.
Redes : 400 V a 50 /60 Hz
Tercera Etapa: Tipo de Batería
El tipo depende del nivel de contaminación harmónica de la instalación.
Compensación fija
Compensación automática
50% de contaminación harmónica hay que instalar un filtro:Standard : potencia de los generadores de harmónicos es inferior a 15% del transformador.Tipo H : potencia de los generadores de harmónicos es 15% y 25% de la potencia del transformador.Tipo SAH : si la potencia de los generadores de harmónicos está entre 25% y 50% de la potencia del transformador.
La verificación se hace aplicando la siguiente relación:Donde: Sn = potencia aparente del transfo.
Gh / Sn Gh = Potencia de generadores de harmónicos
Filtrage de Harmónicos
La presencia de harmónicos en una instalación es sinónimo de una onda de tensión o de corriente deformada.
Esto significa que la que la distribución de la energía eléctrica es perturbada y que la calidad de la energía no es optima.
Los harmónicos son generados por las cargas no lineales conectadas a la red.Estos harmónicos tienen un impacto económico importante en las instalaciones:
Aumentación de las fuentes energéticas Envejecimiento de los materiales Perdidas de la producción
El filtrage de harmónicos permite eliminar esas perturbaciones
Tipo estándar Tipo H Tipo SAH
Criterios de elección:
Filtro pasivo: permite a su vez una compensación de energía reactiva y una gran capacidad de filtrage en corriente.Este filtro reduce las tensiones harmónicas de la instalación donde la tensión de alimentación esta contaminada.
El compensador activo: permite el filtrage de harmónicos sobre una gran banda de frecuencia, se adapta a cualquier carga y su potencia harmónica es limitada.
El filtro híbrido : Reúne las características de los filtros activos y pasivos.
XII TARIFAS DE CFE
La tarifa de ser un abonado de energía eléctrica en CFE se compone de dos partes:
Una prima fija (costo del abonado) en función de la potencia suscrita El precio de los KW-h consumidos
Existen dos tipos de versiones de las tarifas: Clientes domésticos y agrícolas: contratos de 3 a 36KVA Clientes profesionales : desde 6 a 36KVA
Opción TEMPOLa opción TEMPO comprende 3 periodos:300 días “blue” con precios Kw-h muy ventajosos43 días “white” con un precio Kw-h muy próximo a aquellos de horas bajas22 días “red” en los cuales el precio Kw-h es netamente muy elevado.
Generador Batería Carga de harmónicos de Cond. lineal
Ejemplos de cargas no lineales: Variadores de velocidad para motores
asíncronos y motores de CC Aparatos de
oficina(ordenadores,copiadoras,fax) Aparatos domésticos (TV, hornos de
microondas, lámparas a neon). Los inversores Ciertos equipos con saturación magnética
(transformadores) Equipos industriales (plantas de soldar, hornos
a inducción, rectificadores).
Ejemplo de cuadro de horas:
Resumen de la tarifas CFETarifa Potencia suscrita Utilización
Tarifa azul 3 – 36 KVA Domestico, agrícolas, profesionales y
comercialesTarifa amarilla 36 – 250KVA Pequeñas y medianas
empresasTarifa verde > 250KVA Industria
XIII ALIMENTACIONES DE EMERGENCIA
En el estudio de los principios de la entrega de energía eléctrica, los elementos que permiten mejor la calidad de la energía eléctrica así como su seguridad y
disponibilidad son : la fiabilidad, la disponibilidad y el mantenimiento.
Principios que permite aumentar la seguridad :
Utilización de plantas de emergencia Aparatos desbrochables (mantenimiento rápido) Selectividad de los aparatos de protección Utilización de fuentes, grupos electrógenos, UPS Jerarquización de los receptores
Producción de forma continua, zonas sensibles de los hospitales, alumbrado de seguridad, sistemas de alarma, emergencias, elevadores etc.La alimentación debe ser garantizada en caso de problema sobre la llegada principal, encontramos tres tipos de alimentación de emergencia:
Las baterías Los grupos electrógenos (Motores a combustión interna) Las alimentaciones sin interrupción UPS
La conmutación normal / emergencia
Un autómata o automatismo asegura la supervisión de la fuente principal y ordena en caso de que esta no exista, la aparición de la planta de emergencia . Las UPS integran un dispositivo de supervisión y comunicación , un grupo electrógeno debe comportar supervisión, automatismo, e inversor de fuente.
Grupos Electrógenos
Circuitos no prioritarios
Circuitos prioritarios
alternador
Normal / emergencia
Alimentación sin corte
bateria
Cargas sensibles
Esta constituido de un motor a combustión interna arranque por alternador y un sistema de regulación de la energía eléctrica de salida.
Tres combustibles principales se usan en las maquinas a combustión interna: gasolina, gas, y diesel., todos derivados del petróleo, tienen sus ventajas y desventajas.El mas aceptado es el diesel por ser más económico, tener más poder calorífico y ser menos inflamable.
MotoresUn motor de combustión interna , es aquel que obtiene su potencia a quemarse un combustible dentro de un cilindro. En el cilindro hay un embolo que se mueve y este a su vez mediante una biela, hace mover un eje con efecto de rotación. En el motor diesel, el combustible es encendido por el calor resultante de la compresión del aire suministrado para la combustión.
Primer tiempo: aspiraciónLa válvula de admisión se abre y el aire atmosférico penetra al bajar el pistón, haciéndolo a una presión un poco menor que la atmosférica por el vacio que provoca el pistón.
Segundo tiempo: compresiónLa válvula de admisión se cierra. El pistón sube y comprime el aire de un volumen V a uno mucho más reducido. La compresión provoca en el aire un aumento de temperatura. En ese momento se inyecta el combustible a una presión elevada, el aire caliente quema el combustible.
Tercer tiempo: expansiónEl combustible quemado provoca una expansión, en razón de la energía que se genera, esta energía hace bajar el pistón, este mueve la biela que hace girar el cigüeñal, lográndose un movimiento rotatorio en el eje del motor.
Cuarto tiempo: expulsiónSe abre la válvula de escape y el pistón empuja los restos de la combustión al exterior. Características Principales:
Potencia medida en HP La velocidad que es relacionada con la frecuencia El dímetro del cilindro y su carrera La presión atmosférica, temperatura y humedad Combustible empleado Rendimiento total
Las marcas mas famosas de motores a combustión interna son los Rolls Royce y Caterpillar.
Nota : Antes de detener un grupo electrógeno hay que reducir su potencia a cero y dejarlo girar al vacío para permitir su enfriamiento.
Las UPS
UPS off- lineLa utilización es alimentada por un filtro mientras la alimentación normal esta presente. Si existe un defecto en la alimentación principal, la utilización es alimentada por l inversor a partir de su batería, estos son reservados a los receptores de potencia débil, oficina, micro-informática( alimentación poco perturbada).
UPS line interactiveLa utilización es alimentada por un dispositivo de conmutación. Mientras la alimentación normal es buena el inversor esta en paralelo alimentado por su batería, cuando sucede un defecto en la vía de llegada el dispositivo de conmutación permite al inversor alimentar la utilización . Eso debe ser rápido para evitar perturbar la utilización.
Vía directaAlimentación
Inversor
Batería
Conmutador
Utilización
Cargador
UPS permanencia serie on-line
La utilización es alimentada por la doble conversión del rectificador y el inversor , todo esto en las tolerancias de tensión y frecuencia. Cuando la alimentación normal sale de funcionamiento la utilización es alimentada por el inversor a través de su batería.
Todas estas alimentaciones de emergencia son utilizadas para todas las cargas que necesitan un nivel de calidad elevada, salas informáticas, aplicaciones medicas, equipos de control de procesos industriales etc.
XIV GESTIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
La automatización y la intervención de dispositivos programables va a permitir una mejor gestión de la energía eléctrica en las instalaciones en disponibilidad ,reducción de costos y mejoramiento del confort de los utilizadores, esta gestión se divide en dos partes:
Gestión de circuitos Gestión de las alimentaciones
Gestión de Circuitos
Inversor
Utilización
Batería
Alimentación
Acople/ desacople
Inversor
BateríaUtilización
Vía by pass
Rectificador/Cargador
Alim1
Alim2
En una instalación se produce a veces un consumo mayor de energía eléctrica de los receptores que el de la potencia suscrita, estos consumos mayoritarios pueden provocar un corte general.
Esto se puede controlar colocando dispositivos como reles dia/noche en los cuales la carga solo es alimentada en algunos instantes sobre la noche o la utilización de un autómata programable PLC puede mejorar el confort y la programación de los receptores en periodos de vacaciones.
Gestión de las Alimentaciones
La falta de energía eléctrica en diferentes locales tales como: hospitales pueden tener consecuencias graves.
La continuidad del servicio se obtiene por la elección del tipo de tierra, la selectividad de las protecciones y también por la colocación de otras fuentes de alimentación.
Un dispositivo interruptor controlado de emergencia puede conmutar entre la alimentación general y la alimentación de emergencia.
Ejemplo:
autómata
Segunda Parte (II) Media Tensión
I LAS REDES DE DISTRIBUCIÓN EN MEDIA TENSIÓN MT
La finalidad es de encaminar la electricidad de la red de repartición hacia a los puntos de media consumación ( superior a 250KVA).
Sea del dominio publico, puestos de distribución publica MT/BT Sea del dominio privado, puestos de entrega de media consumación. Ellos
son del sector terciario, los hospitales, los edificios, las pequeñas industrias.
La estructura es aérea o subterránea. Las tensiones son comprendidas en algunos kilovolts y 40 KV.
Topologías de las Redes Eléctricas MT
La elección de una topología responde a:Asegurar la seguridad de personas y bienesObtener un nivel de calidad y de servicio fijoAsegurar el resultado económicamente deseado
Principio de distribución de la energía eléctrica
Distribución y protección BT
Contador BT y seccionado general BT
Protección HT y transformación
HT/BT
Enlace a la red eléctricaRed publica
II ELECCIÓN DE UN TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN
Sobredimensionar el transformador provoca un desperdicio de perdidas al vacío.Hay perdidas en :
Posibilidades de acceso
Protección BT
Perdidas en el cobre Perdidas en el material ferromagnético por histéresis Perdidas en el hierro por corrientes de foucault (corrientes de fuga)
Estas perdidas producen un calentamiento que: Tientan a disminuirlas Desarrollar técnicas para evacuar las calorías
Para llevar a cabo la elección correcta de un transformador hay que verificar dos cosas:
1) La potencia estimada en KVA2) Se determina para la jornada mas cargada del año el valor de Sc
Elección del dieléctrico de un transformador
La primera generación de transformadores eran del tipo sumergido, representando el 80% del mercado mundial. Estos transformadores utilizan aceite mineral y a veces aceite de silicona. Los transformadores secos tienen un costo mas importante, pero tienen un mejor comportamiento al fuego tienen un punto mas a favor de la seguridad. La norma los impone en los inmuebles de grandes alturas y en locales con riesgos de incendio.
Transformadores HT /BT tecnología, elección y protección...
Principio del DGPT2 El DGPT” sirve para la propagación del fuego, este es recomendado si S<630KVA y que el contador se encuentre en HT.Protección contra:
Incendio ( 2º nivel T y abertura HT) Sobrecarga ( 1º nivel T, alarma y/o abertura del disyuntor BT) Defecto interno ( bajo nivel de aceite, abertura HT)
Tipos de Transformadores de distribución
Protección de un transformador HT /BT
La protección de un transformador se sitúa en el lado primario, ya que al ser puesto bajo tensión la corriente del primario puede alcanzar 10 o hasta 15 veces la corriente nominal. Es por ello que el dispositivo de protección (fusible solefuse) deje pasar esa sobre corriente transitoria.
Los Solefuse son fusibles con un alto Pdc y se utilizan en redes de 7.2 a 32 Kv.Ellos están destinados a proteger:
Transformadores Redes de distribución Receptores HT contra los defectos importantes
Ejemplo de ubicación:
Determinación de la Referencia de un SolefusePara saber que fusible elegir siguiendo las normas internacionales hay que guiarse de los siguientes datos:
Al calibre deseado A la tensión de servicio superior la mas próxima
Puesta en Paralelo de Transformadores
Para que esto sea realizado se tienen que respetar las condiciones siguientes: La misma relación de transformación El mismo índice horario Tensiones de corto circuito iguales Potencias próximas
III LOS DIFERENTE ESQUEMAS DE REDES MT
Para un país es importante : la elección de un esquema para las redes MT muy grandes así que el conjunto de la estructura MT.Varias topologías existen:
Topología bucle cerrado (malla) Topología bucle abierto ( malla simplificada) Topología doble derivación Topología radial (antena)
Topología Radial (antena)
Su principio es una sola vía de alimentación , tal estructura no puede ser alimentada mas que por un solo camino eléctrico posible (tipo arborescente).Un esquema radial esta ligado a una distribución de tipo aérea.
Esquema:
Topología Bucle abierto (corte de arteria)
Su principio es a dos vías de alimentación y esta estructura es alimentada por dos caminos eléctricos, la emergencia es realizada en este tipo de red, hay siempre un punto de apertura en el bucle, un bucle sobre el cual están conectados los puntos de consumación (puestos de distribución MT/BT).Cada esta unida sobre el bucle por interruptores MT cerrados, excepto uno de ellos, el punto de apertura del bucle define el camino de alimentación para cada punto de consumación.Este esquema es asociado a una distribución subterránea en un medio urbano a fuerte densidad.
Esquema:
Topología Doble derivación
Poco utilizado, su principio es:La red MT es doblemente alimentada (dos circuitos A y B bajo tensión).Todo puesto MT / BT es unido por dos cables MT pero efectivamente a un solo cable, esta equipado con un solo autómata local simple.En caso de defecto , el automatismo detecta la ausencia de tensión sobre el cable A, verifica la tensión sobre el cable B y da las ordenes para la apertura de un interruptor MT.
Esquema:
IV SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
Definición: Conjunto de aparatos y dispositivos de transformación , conversión y distribución de energía eléctrica instalados en un edificio o al aire libre cuya misión es alimentar una red eléctrica.
• Subestación receptora y de enlace:Cuando se interconecta a una o varias subestaciones que permiten el respaldo desuministro eléctrico• Subestación transformadora:.Destinada a modificar los parámetros eléctricos de entrada y salida del sistema• Subestación convertidora:Destinada a convertir la corriente alterna en corriente continua, o viceversa.• Subestación distribuidora:Destinada a distribuir la energía eléctrica sin modificar sus características eléctricas.
Los elementos que comprenden una subestación son:
• Transformador• Interruptor de potencia• Restaurador• Cuchillas fusible• Cuchillas desconectadoras y
cuchillas de prueba• Apartarrayos• Tablero dúplex de control• Condensadores• Transformadoras de instrumento
Identificación de Células de Llegada de energía eléctrica para todas las funciones para la unión de las redes.
ALTA TENSIÓN (HT)
Sistemas de Energía Eléctrica
Llamamos fuente de energía a un sistema natural cuyo contenido energético es susceptible de ser transformado en energía útil. Un aspecto importante a tratar es conocer cuáles son las fuentes que usamos para aprovechar su energía, su utilidad, sus ventajas e inconvenientes y su disponibilidad.
Nuestro planeta posee grandes cantidades de energía. Sin embargo, uno de los problemas más importantes es la forma de transformarla en energía utilizable. Las fuentes más buscadas son las que poseen un alto contenido energético y acumulan energía en la menor cantidad de materia posible. Es el caso del petróleo, carbón y gas natural. En otras, por el contrario, se encuentra difusa (solar, eólica, geotérmica, etc)
La mayor parte de las fuentes de energía, salvo la nuclear, la geotérmica y las mareas, derivan del Sol. El petróleo, el gas natural o el viento tienen su origen, aunque lejano, en la energía que proviene del Sol
1) Energía Nuclear de Fisión
Es la energía asociada al uso del uranio. La forma de energía que se aprovecha del uranio es la energía interna de
sus núcleos.
Se transforma en energía eléctrica. Una parte importante del suministro de energía eléctrica en los países desarrollados tiene origen nuclear.
Ventajas:
a) Grandes reservas de uranio b) Tecnología bien desarrollada c) Gran productividad. Con pequeñas cantidades de sustancia se
obtiene gran cantidad de energía. d) Aplicaciones pacíficas y médicas
Desventajas:
a) Alto riesgo de contaminación en caso de accidente b) Producción de residuos radiactivos peligrosos a corto y largo plazo c) Difícil almacenamiento de los residuos producidos d) Alto coste de las instalaciones y mantenimiento de las mismas e) Posibilidad de uso no pacífico
2) Energía Hidráulica
Es la energía asociada a los saltos de agua rios y embalses La forma de energía que posee el agua de los embalses es
energía potencial gravitatoria, que podemos aprovechar conduciéndola y haciéndola caer por efecto de la gravedad.
Se puede transformar en energía mecánica en los molinos de agua y en energía eléctrica en las centrales hidroeléctricas
VentajasVentajas:
a) Es una energía limpia b) No contaminante c) Su transformación es directa d) Es renovable
Desventajas:
a) Imprevisibilidad de las precipitaciones b) Capacidad limitada de los embalses c) Impacto medioambiental en los ecosistemas d) Coste inicial elevado (construcciones de grandes embalses) e) Riesgos debidos a la posible ruptura de la presa
3) Energía Eólica
Es la energía asociada al viento. La forma de energía que posee es la energía cinética del viento, que
podemos aprovechar en los molinos, en la navegación a vela,...
Se puede transformar en energía mecánica en los molinos de vientos o barcos de vela, y en energía eléctrica en los aerogeneradores
Ventajas:
a) Limpia b) Sencillez de los principios aplicados c) Conversión directa d) Empieza a ser competitiva
Desventajas:
a) Intermitencia de los vientos b) Dispersión geográfica c) Impacto ambiental sobre ecosistemas d) Generación de interferencias e) Tecnología en desarrollo f) Dificultad de almacenamiento
4) Energía Geotérmica
Es la energía interna y cinética asociada al vapor de agua que sale directamente a la superficie en zonas volcánicas y al aumento de temperatura que se produce conforme profundizamos en la superficie terrestre.
Se transforma en energía eléctrica o en energía térmica para calefacción.
Ventajas :
a) Limpia b) En los sitios donde se da, es abundante
Desventajas:
a) No renovable b) Sólo es aprovechable en lugares muy concretos c) Tecnología en desarrollo
Concepción de una Red en Alta Tensión
La seguridad de personas Prohibido acceder a piezas puestas bajo tensión Sistema de protección contra la elevación del potencial de las masas
metálicas Prohibido hacer maniobras del seccionador de línea en carga Prohibido poner a la tierra bajo tensión Eliminación rápida de defectos
La seguridad de bienesLa elección de los materiales y equipos eléctricos es capital , dos factores son tomados en cuenta:
Las sobre intensidades (corto-circuito y sobrecarga) Las sobre tensiones
Las soluciones aseguran a lo mínimo:
Eliminación rápida del defecto y la continuidad del servicio de las partes sanas (selectividad)
Proveerse de información del defecto inicial para intervenir eficazmente
Continuidad de alimentación de los receptoresEs necesario para razones de:
Seguridad de personas (alumbrado) Mantenimiento de las herramientas de producción Productividad y confort
Los receptores se reparten en 3 familias: Los receptores ordinarios Los receptores esenciales Los receptores “a tiempo zero” (ninguna ausencia de alimentación es
tolerada).
Facilidad de explotación de la redA fin de llevar a bien con la seguridad y la fiabilidad la red debe tener una disposición a:
Redes de fácil manejo en caso de incidente o de maniobra Aparatos y equipos de un dimensionamiento suficiente (mantenibles) Medios de control- comando innovadores para la centralización en tiempo
real y en un lugar único para toda la información.
El costo mínimo de la Instalación eléctrica El costo mínimo no es el costo estimado mínimo inicial,
El costo de inversión inicial Los costos de mantenimiento Los costos de perdidas de producción ligadas a la protección ya la
concepción
La optimización de la energía eléctricaSi la fabrica contiene generadores, es necesario de administrar la energía provista y la energía producida. Un sistema de control comando puede optimizar el costo de la energía consumida en función de:
Del contrato suscrito con el distribuidor De la disponibilidad del generador de la fabrica
Las evoluciones y Extensiones de las futuras RedesLas eventuales y futuras modificaciones son a tomar en cuenta:
En dimensión con los órganos principales de alimentación En la concepción del esquema del constructor Y en el calculo de áreas delos locales eléctricos
Esta anticipación nos lleva a una mejor flexibilidad de la gestión de la energía eléctrica.
La Renovación de la RedesRenovaciones y reestructuración de redes son obligatorias, un estudio debe ser llevado con mas atención que en un estudio de nueva instalación.
Efectos electrodinámicos y dieléctrico insuficientes de ciertos aparatos y equipos existentes.
Capacidad a alimentar grandes receptores Áreas y alturas de los locales eléctricos no modificables Situación geográfica de equipos y de receptores impuestos.