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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

DESARROLLO DE DISTINTAS ETAPAS DE INGENIERÍA EN DIVERSOS PROYECTOS ELÉCTRICOS DEL SECTOR PETROLERO

Por:

Carlos José Arias Bandry

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de

Ingeniero Electricista

Sartenejas, Marzo de 2009

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

DESARROLLO DE DISTINTAS ETAPAS DE INGENIERÍA EN DIVERSOS PROYECTOS ELÉCTRICOS DEL SECTOR PETROLERO

Por:


Realizado con la asesoría de:

Tutor Académico: Miguel Martínez

Tutor Industrial: Juvencio Molina

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de

Ingeniero Electricista

Sartenejas, Marzo de 2009

iv

DESARROLLO DE DISTINTAS ETAPAS DE INGENIERÍA EN DIVERSOS PROYECTOS

ELECTRICOS DEL SECTOR PETROLERO

Por:


RESUMEN

El sector petrolero nacional posee diversos proyectos en el ámbito de manejo y bombeo de

crudo de diferentes tipos, así como iniciativas para realizar la conversión de gasolina a gas como

combustible para vehículos de transporte colectivo, los cuales poseen requerimientos de energía

eléctrica asociados. La realización de todos estos proyectos requiere de la concepción y ejecución

de diferentes etapas de ingeniería como visualización, ingeniería conceptual, básica y de detalle.

Según los requerimientos particulares de cada proyecto, se debe realizar un estudio de la zona en

la que se va a construir la instalación, determinar las fuentes de suministro eléctrico cercanas o en

su defecto requerimientos de generación necesarios. Al poseer toda la información, se procede al

diseño de la infraestructura eléctrica de cada proyecto en particular. A lo largo de este documento

se presentan diversos proyectos en media y baja tensión en los cuales se realiza el diseño de la

infraestructura eléctrica necesaria para cumplir las demandas de diferentes proyectos del sector

industrial. Dichos diseños se llevan a cabo utilizando criterios de diseño basados en la seguridad

para las instalaciones y personas que operen o estén en contacto con el sistema, confiabilidad,

simplicidad, facilidad de mantenimiento, mínima afectación al ambiente, normalización de

equipos, capacidad para futuras expansiones y ahorro energético. Dichos criterios tienen como

sustento y validación las diferentes normas, tanto nacionales como internacionales, que apliquen

según el proyecto respectivo, así como el cumplimiento a cabalidad de los lineamientos del

Código Eléctrico Nacional (CEN). Mediante un estudio multidisciplinario, se analizan diferentes

soluciones a cada problema en particular y se propone la solución más conveniente a nivel

técnico-económico para cada proyecto.

v

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mi padre, a mi madre y a mi hermano por siempre haberme apoyado y

acompañado en las buenas y en las malas a lo largo de mi vida y mi carrera. A mi abuela que

siempre me apoyó y creyó en mí, y me sigue apoyando desde el fondo de mi corazón. A mi novia

por haberme ayudado en la medida de lo posible y siempre haberme dado apoyo y consejo en los

momentos difíciles.

Al profesor Juvencio Molina por haberme dado esta oportunidad y haberme brindado apoyo y

consejo a lo largo de toda la pasantía, así como al profesor Miguel Martínez por su guía,

paciencia y ayuda.

A todos mis amigos, amigas y panas dentro y fuera de la universidad, por las incontables horas

estudiando juntos y la cantidad de momentos excelentes que me han brindado.

Y finalmente a todo el equipo de ingeniería de AB Proyectos e Inspecciones por haberme

asimilado de inmediato y haberme brindado un ambiente muy agradable de trabajo.

vi

ÍNDICE

RESUMEN ................................................................................................................................... IV

AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................V

ÍNDICE.........................................................................................................................................VI

ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................................... VII

ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................VIII

SIGLAS, SÍMBOLOGÍA Y ABREVIACIONES .....................................................................XI

INTRODUCCIÓN......................................................................................................................... 1

Antecedentes .............................................................................................................................. 1

Instalación de infraestructura para el manejo de crudo parafinoso en el campo San Joaquín –

Guario – El Roble .................................................................................................................... 2

Ingeniería básica y detalle para el aumento en la capacidad Poliducto REP - P/D

Barquisimeto............................................................................................................................ 2

Parque industrial gas natural vehicular.................................................................................... 3

Objetivos..................................................................................................................................... 4

Objetivo general ...................................................................................................................... 4

Objetivos específicos............................................................................................................... 4

CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA ................................................................. 5

CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL .................................................................................. 7

2.1 Instalación de infraestructura para el manejo de crudo parafinoso en el campo San

Joaquín – Guario – El Roble. Cálculo mecánico y análisis estructural para la línea de

distribución en media tensión, 13,8 kv..................................................................................... 9

2.2 Ingeniería básica y detalle para el aumento en la capacidad poliducto REP - P/D

Barquisimeto. Implementación del sistema de control para un esquema de secundario

selectivo con transferencia automática en la estación de rebombeo. .................................. 12

2.3 Parque Industrial Gas Natural Vehicular. Análisis preliminar de cargas y diseño de

diagramas unifilares de la escuela técnica y fábrica de cilindros de alta presión. ............ 13

CAPÍTULO 3. DESARROLLO DEL PROYECTO ................................................................ 14



distribución en media tensión, 13,8 kv................................................................................... 14

3.1.1 Cálculo de las cargas transversales, longitudinales y verticales de las estructuras en

suspensión para alineación y para ángulos hasta de 5º.......................................................... 32

vii


amarre para ángulos mayores a 5º hasta 60º.......................................................................... 35



selectivo con transferencia automática en la estación de rebombeo. .................................. 46


diagramas unifilares de la escuela técnica y fábrica de cilindros de alta presión. ............ 55

CAPÍTULO 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ....................................................................... 61

4.1 Instalación de infraestructura para el manejo de crudo parafinoso en el campo san

Joaquín – Guario – El Roble. ................................................................................................. 61


Barquisimeto. ........................................................................................................................... 62

4.3 Parque Industrial Gas Natural Vehicular....................................................................... 63

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................................ 65

Conclusiones............................................................................................................................. 65

Recomendaciones..................................................................................................................... 67

REFERENCIAS .......................................................................................................................... 68

APÉNDICE A. TABLA DE TENSADO.................................................................................... 70

APÉNDICE B. PLANO DE RUTA DE LA LÍNEA AÉREA.................................................. 75

APÉNDICE C. PLANO DE DETALLES DE LA LÍNEA AÉREA........................................ 81

APÉNDICE D. IMPLEMENTACIÓN DEL ESQUEMA DE SECUNDARIO SELECTIVO

....................................................................................................................................................... 84

APÉNDICE E. TABLAS DE ANÁLISIS PRELIMINARES DE CARGAS.......................... 85

APÉNDICE F. DIAGRAMAS UNIFILARES .......................................................................... 88

viii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3.1.1 Condiciones ambientales de la zona................................................................... 15

Tabla 3.1.2 Características del conductor calibre 4/0 AWG. .............................................. 15

Tabla 3.1.3 Hipótesis de carga del conductor. ...................................................................... 16

Tabla 3.1.4 Hipótesis de carga del conductor de guarda. .................................................... 16

Tabla A.1 Flecha máxima de cada vano perteneciente a la línea aérea. ............................ 70

Tabla A.2 Clasificación de estructuras y cálculo de vanos gravantes................................. 71

Tabla A.3 Cálculo de vanos ficticios y tensiones por cada tramo de la línea. .................... 72

Tabla E.1 Estudio preliminar de cargas para la escuela técnica. ....................................... 85

Tabla E.2 Estudio preliminar de cargas para la fábrica de cilindros de alta presión. ..... 86

ix

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1. Organización geográfica de AB Proyectos e Inspecciones. ................................ 6

Figura 1.2. Organigrama funcional de AB Proyectos e Inspecciones................................... 6

Figura 2.1.1 Ubicación geográfica de la localidad [16]. ......................................................... 9

Figura 2.1.2 Estructura doble poste....................................................................................... 11

Figura 2.1.3 Estructura para ángulos de 90º. ....................................................................... 11

Figura 2.2.1 Esquema de control de secundario selectivo general...................................... 12

Figura 3.1.1 Estructura conformada por dos postes arriostrados. ..................................... 21

Figura 3.1.2 Eje de volcamiento longitudinal........................................................................ 21

Figura 3.1.3 Poste tubular de tres secciones [11]. ................................................................. 23

Figura 3.1.4 Eje de volcamiento transversal. ........................................................................ 24

Figura 3.1.5-A Catálogo Saien – Postes tubulares de tres secciones [11]. .......................... 26

Figura 3.1.5-B Catálogo Saien – Postes tubulares de tres secciones [11]. .......................... 27

Figura 3.1.6 Vista de planta de estructura de tres postes. ................................................... 29

Figura 3.1.7 Ejes X e Y de volcamiento de estructura de tres postes. ................................ 30

Figura 3.1.8 Eje X de volcamiento para estructuras de tres postes. ................................... 30

Figura 3.1.9 Ángulo generado en los conductores debido a desviaciones de la línea. ....... 33

Figura 3.1.10 Descomposición en componentes de la fuerza transversal sobre estructura

de tres postes. ........................................................................................................................... 40

Figura 3.1.11 Descomposición en componentes de la fuerza transversal sobre la

estructura de tres postes para velocidad del viento promedio. ........................................... 41

Figura 3.1.12 Bancadas provenientes de la línea aérea hacia las celdas de media tensión.

................................................................................................................................................... 45

Figura 3.1.13 Detalle de cruce de bancadas. ......................................................................... 45

Figura 3.1.14 Detalle de bancada AD2-C. ............................................................................. 46

Figura 3.2.1 Esquema de control con secundario selectivo [1]............................................ 48

Figura 3.2.2 Diagrama de bloques de la secuencia de transferencia automática en

esquemas de secundario selectivo [1]. .................................................................................... 53

Figura 3.2.3 Diagrama de bloques de la secuencia de operación manual para

subestaciones conectadas a fuentes sincronizadas o que pueden ser sincronizadas durante

la operación [1]. ....................................................................................................................... 54

x

Figura 3.2.4 Diagrama de bloques de la secuencia de operación manual para

subestaciones conectadas a fuentes no sincronizadas [1]. .................................................... 55

Figura 3.3.1 Diagrama unifilar de la escuela técnica. .......................................................... 59

Figura 3.3.2 Diagrama unifilar de la fábrica de cilindros de alta presión. ........................ 60

Figura B.1 Plano de ruta de la línea aérea, hoja 1................................................................ 75






Figura C.1 Plano de detalles de la línea aérea, hoja 1.......................................................... 81



Figura D.1 Implementación del esquema de secundario selectivo en unifilar de estación

de rebombeo Poliducto REP - P/D Barquisimeto. ................................................................ 84

Figura F.1 Diagrama unifilar de la escuela técnica.............................................................. 88

Figura F.2 Diagrama unifilar de la fábrica de cilindros de alta presión............................ 89

xi

SIGLAS, SÍMBOLOGÍA Y ABREVIACIONES

tm: Toneladas

MBD: Miles de barriles diarios

REP: Refinería El Palito

P/D: Planta de Distribución de Combustibles Barquisimeto

HH: Horas hombre

V: Voltios

kV: Kilovoltios

m.: Metros

cm.: Centímetros

AWG: “American Wire Gauge” (Calibre para conductores americano)

ºC: Grados centígrados

Km./h: Kilómetros por hora

Kg.: Kilogramos

Ø: Diámetro

mm.2: Milímetros cuadrados

A: Amperios

kA: Kiloamperios

Ef.: Módulo de elasticidad final

α: Coeficiente de dilatación lineal

Kgf.: Kilogramos-fuerza

CCM: Centro de Control de Motores

CA: Corriente alterna

CD: Corriente directa

TC: Transformador de corriente

Vca: Voltaje en corriente alterna

VA: Voltio-amperio

kVA: Kilovoltio-amperio

TOR: Tiempo de operación real

FOP: Factor de operación

ONAN: Circulación natural de aceite mineral enfriado por convección natural de aire.

xii

ONAF: Circulación natural de aceite mineral enfriado por ventilación forzada de aire.

IN: Corriente nominal

Icc: Corriente de cortocircuito

ZT: Impedancia del transformador

Vll: Voltaje línea-línea

S3F: Potencia aparente trifásica

P: Potencia activa trifásica

fp: Factor de potencia

µ: Eficiencia

I: Corriente de línea

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de ingenieros electrónicos y

electricistas)

ANSI: American National Standards Institute (Instituto de normas nacionales americanas)

1

INTRODUCCIÓN

Antecedentes

Los proyectos de ingeniería eléctrica en media y baja tensión en general poseen una

metodología parecida y a veces generalizable; se presenta un problema a resolver (desbalance,

confiabilidad, etc.) o bien se requiere el suministro de electricidad para una carga nueva. Para el

caso de los proyectos de instalaciones eléctricas, se observan algunas particularidades en la

metodología general de los mismos, como el estudio de las condiciones del ambiente del lugar en

el cual se encuentra o se va a construir la instalación, la confiabilidad que requiere la instalación

según sea su aplicación y uso, el análisis de riesgos y estudio de afectación en el sistema eléctrico

por parte de la instalación, así como el análisis de las distintas tecnologías posibles a utilizar para

el proyecto y la consideración de las normativas correspondientes según estándares

internacionales, nacionales y las normas propias impuestas por el cliente. Sin embargo, el factor

más importante, el cual define los lineamientos generales de un proyecto de instalaciones

eléctricas viene dado por el objetivo o los requerimientos del cliente, ya que en torno a dichos

requerimientos se procede a la realización de todos los análisis antes mencionados para dar con la

solución más adecuada a las necesidades de la instalación en proyecto.

En función del gran número de proyectos ejecutados simultáneamente en AB Proyectos e

Inspecciones, en conjunto con el interés particular en el área de instalaciones eléctricas y sistemas

de distribución, surge el presente proyecto de pasantía. Asimismo, el requerimiento de suministro

eléctrico para diferentes instalaciones del sector petrolero, existentes y en proyecto, genera la

necesidad del desarrollo de ingeniería asociado a las distintas etapas de cada proyecto.

Fueron 3 los proyectos desarrollados y a continuación se presenta una breve reseña de cada

uno.

2

Instalación de infraestructura para el manejo de crudo parafinoso en el campo San Joaquín

– Guario – El Roble

Estudios de mercado demuestran que existe un déficit interno nacional de 400 tm/mes de

parafina, estando entre los afectados por esta causa los microempresarios artesanales, quienes

poseen un consumo de 3 a 10 tm/mes, lo cual genera la necesidad de importar este derivado del

petróleo, incrementando los costos de producción y disminuyendo la eficiencia de la única

Refinería de parafinas de Sur América, la Refinería San Roque. En los últimos años, la Refinería

San Roque se ha suplido con la corriente de crudo parafinoso proveniente del campo La Ceiba

(actualmente perteneciente al Distrito de Producción Gas Anaco), incluyendo en su corriente el

crudo proveniente de Tácata; sin embargo, el contenido de parafinas en dicha corriente ha

disminuido considerablemente (hasta un mínimo actual de 8%) afectando así la eficiencia y el

rendimiento de los procesos de refinación desarrollados en San Roque y consecuentemente, la

producción de parafinas a nivel nacional.

De acuerdo con la situación planteada, la Gerencia de Producción Gas Anaco ha desarrollado

estudios en los yacimientos del campo San Joaquín – Guario – El Roble, los cuales han reflejado

un potencial considerable de crudo parafinoso con el cual puede incrementarse el porcentaje

actual de contenido de parafinas en el crudo entregado a la refinería San Roque.

En virtud de la situación antes descrita, se requiere diseñar una nueva infraestructura que

garantice la producción adecuada y segura de crudo parafinoso, permitiendo la operación

eficiente de la Refinería San Roque.

Ingeniería básica y detalle para el aumento en la capacidad Poliducto REP - P/D

Barquisimeto

En los últimos años el parque automotriz venezolano ha sufrido un incremento considerable, lo

cual ha incidido en un mayor consumo de combustibles (Gasolina 91, Gasolina 95 y Diesel); de

los cuales no han escapado las comunidades que conforman la región Centro Occidental, surtidas

desde la planta de distribución de combustibles Barquisimeto.

3

La planta de distribución de combustibles Barquisimeto es alimentada desde la Refinería El

Palito a través del Poliducto El Palito-Barquisimeto. PDVSA en base a incrementar la capacidad

de suministro de combustibles a la región centro occidental, consideró la necesidad de realizar un

estudio, que permita determinar si es posible aumentar la capacidad operacional actual (58 MBD)

del Poliducto.

El proyecto consiste en la incorporación de un sistema de rebombeo en la estación de válvula

Nº 16, que permita aumentar la capacidad de suministro actual de Gasolina sin plomo de 91 y 95

octanos y Diesel a la Planta de Distribución de Combustibles PDVSA-Barquisimeto de

aproximadamente 58 MBD a 75 MBD.

Parque industrial gas natural vehicular

Como consecuencia de la iniciativa de conversión de vehículos de transporte colectivo de

combustible convencional a Gas, se propone el diseño y construcción de un parque industrial en

la zona de Yagua, Municipio Guacara, Estado Carabobo con distintas instalaciones asociadas al

proceso de conversión. Dentro de dichas instalaciones se encuentran una fábrica de cilindros de

alta presión, fábrica de kits de conversión, fábrica de compresores y una escuela técnica para

capacitación del personal del parque industrial, así como la vialidad del complejo, casetas para

control de paso de vehículos y peatones, planta de tratamiento de aguas industriales y una

subestación eléctrica para la distribución de energía a todo el complejo.

Para los distintos proyectos se requiere la concepción de diferentes etapas de ingeniería en la

disciplina electricidad, como la conceptual, básica y de diseño. Las etapas de ingeniería aplicadas

para todos los proyectos de instalaciones eléctricas son las mismas, por lo que se pueden apreciar

procedimientos y metodologías similares, como lo son el análisis de la normativa

correspondiente, el análisis de confiabilidad y afectación al sistema eléctrico por parte de la

instalación, la selección apropiada de la topología de la misma según sean los requerimientos del

cliente y la aplicación de los métodos de análisis y cálculo correspondientes para cada etapa para

la obtención de la solución más adecuada de diseño para la instalación.

4

Objetivos

Objetivo general

Desarrollar diferentes etapas de ingeniería como conceptual, básica y de detalle en proyectos

asociados a sistemas de distribución de energía eléctrica e instalaciones eléctricas industriales

para diferentes proyectos del sector petrolero nacional.

Objetivos específicos

• Recopilar y revisar la bibliografía necesaria, así como el aprendizaje de los programas y

herramientas de trabajo a utilizar para llevar a cabo los proyectos.

• Revisar la información suministrada por las distintas disciplinas participantes en el

proyecto, así como los documentos suministrados por el cliente.

• Revisar los métodos de análisis y cálculo a utilizar en cada proyecto en particular, como

análisis y estimación de cargas, análisis estructural, filosofías de control, etc.

• Implementar criterios de diseño que sean adecuados y eficientes, validados por las

normativas correspondientes, según la particularidad de cada proyecto.

• Generar los planos y documentos necesarios para asentar el diseño y poder llevar a cabo

la construcción del mismo.

CAPÍTULO 1

DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA

AB Proyectos e Inspecciones es una empresa fundada en 1990 con el propósito de ofrecer a la

industria servicios de ingeniería, aseguramiento y control de la calidad, inspección, procura,

activación, asistencia técnica y control de proyectos, con una organización apoyada en una

gerencia calificada y personal ampliamente experimentado, orientada a satisfacer al cliente con

un servicio de calidad.

Es una empresa certificada por Fondonorma, bajo la norma internacional ISO 9001:2000

“Sistemas de Gestión de la Calidad. Requisitos” para las líneas de bienes o servicios indicados a

continuación: Servicios profesionales de inspección y verificación de la calidad durante la

fabricación de equipos, montaje de obras civiles, mecánicas, eléctricas e instrumentación,

suministro de materiales y/o componentes, dotación de personal de servicios profesionales e

ingeniería conceptual, básica y de detalle.

Su trayectoria comprende 15 años de experiencia en prestación de servicios a clientes

nacionales: PDVSA E&P, PDVSA Gas, PDVSA Refinería, PDVSA Bariven, Petrobrás Energía,

Petrozuata, Sincor, ACCROVEN e internacionales como: Citgo, Fluor Daniels, Kellog, Brown

and Root, Exxon Mobil, Parsons Engineering y Yanbal. Además cuenta con 300.000 HH en

desarrollos e implantación de ingeniería (4 años), 2.000.000 HH en aseguramiento de la calidad e

inspección de proyectos (15 años) y 500.000 HH en servicios y asistencia técnica (15 años) en

áreas de servicio que incluyen petróleo, gas, petroquímica, minería, servicios industriales,

potencia y electricidad.

Su misión es ser los más confiables, eficientes y profesionales entre las compañías de servicios

y su visión es la de proveer servicios al cliente, basados en los más modernos procedimientos,

normas y técnicas de ingeniería y aseguramiento de la calidad. Estos servicios serán

6

suministrados en forma oportuna, respetando y aplicando las mejores prácticas de seguridad

industrial, protección del ambiente y con el mejor beneficio económico posible.

A continuación se presentan la organización geográfica y el organigrama de AB Proyectos e

Inspecciones, en las figuras 1.1 y 1.2 respectivamente:

Figura 1.1. Organización geográfica de AB Proyectos e Inspecciones.

Figura 1.2. Organigrama funcional de AB Proyectos e Inspecciones.

CAPÍTULO 2

MARCO CONCEPTUAL

Para la realización de un proyecto de ingeniería, es necesaria una metodología determinada,

para lograr una meta mediante la realización de una cadena de procesos específicos. En el caso de

los proyectos de instalaciones eléctricas, se puede establecer una metodología general, la cual

debe ser adaptada según las necesidades de cada caso en particular.

Al plantearse un proyecto de instalaciones eléctricas, el primer factor de estudio debe ser

conocer las necesidades de la instalación en cuestión; preguntas como: ¿qué tipo de instalación se

plantea?, ¿qué tipo de cargas conlleva la misma?, ¿requiere de niveles de tensión estandarizados

o especiales?, ¿posee áreas clasificadas debido al manejo de productos químicos o combustibles

peligrosos?, ¿requiere de servicios especiales y de qué tipo?, deben ser respondidas y analizadas

con claridad para poder generar una visualización concreta de la instalación en diseño. Se debe

realizar una evaluación de las alternativas de suministro eléctrico posibles según la localidad

correspondiente y la disposición de carga del sistema eléctrico de la zona y el impacto de la carga

de la instalación sobre el mismo. Por otra parte se debe realizar una evaluación técnico-

económica de las diferentes soluciones posibles, para de esta manera obtener la más adecuada al

proyecto.

Al obtener la solución más viable, se debe proceder al análisis del problema específico, ya sea

el diseño de una instalación eléctrica nueva o la adecuación de una existente. Este análisis puede

contener procedimientos como análisis de cortocircuito, análisis transitorio de arranque de

motores, estudio de confiabilidad, entre otros, según sean las necesidades del proyecto. Al definir

la solución adecuada al problema planteado, desde el punto de vista técnico-económico y en

concordancia con los requerimientos del proyecto, se procede a la realización de tres etapas

básicas de ingeniería, conocidas como conceptual, básica y de detalle. En todas las etapas de

ingeniería se deben tomar en cuenta las normativas correspondientes según el área de trabajo y en

función de los requerimientos de la instalación en cuestión, así como las exigencias del cliente.

8

Por otra parte, en todas las etapas que comprende un proyecto de instalaciones eléctricas, se

deben aplicar criterios y procedimientos validados por las normas nacionales e internacionales, el

código eléctrico nacional y las normas propias del cliente del proyecto. Dichos criterios, ya sean

propios del ingeniero por experiencia o conocimiento aprendido, o tomando como referencia

metodologías establecidas por terceros o herramientas computacionales como programas de

cálculo de cualquier índole, deben ser claros, explícitos y siempre deben tener en cuenta como

primera instancia la seguridad de las personas que operan o estén en contacto con la instalación, y

en segundo lugar ciertos criterios generales como son la seguridad de las instalaciones, la

confiabilidad para garantizar la continuidad del servicio en caso de contingencia o

mantenimiento, simplicidad de operación, facilidad de mantenimiento, mínima afectación al

ambiente, normalización de equipos, capacidad para futuras expansiones y ahorro energético.

La etapa de ingeniería conceptual es la base del diseño de la instalación, donde se consolidan

las ideas obtenidas en la visualización del proyecto. En esta etapa se fijan los objetivos deseados

por el cliente, se establece qué tipo de tecnologías se aplican y se definen el marco de normas

técnicas que regularan los diseños. Al tener bien definida la etapa de ingeniería conceptual, se

debe avanzar a la siguiente fase, la ingeniería básica, en la cual se definen los aspectos esenciales

de la obra, las especificaciones básicas y el diseño o adecuación general de la instalación en

cuestión. Los documentos a generarse en una ingeniería básica varían según las necesidades de

cada proyecto, como ejemplo de ellos se pueden mencionar las memorias de cálculo y

descriptivas o los planos unifilares o planos de planta de diferentes sistemas eléctricos como

sistema de puesta a tierra, canalizaciones de potencia y control, según sean las necesidades

particulares del proyecto. Ya finalizada la etapa de ingeniería básica, se debe proceder finalmente

a la fase de ingeniería de detalle, en la cual se realiza el diseño específico y detallado de las

estructuras que conforman la instalación. En esta etapa, se realizan diversos planos específicos,

los cuales contienen información explícita a utilizar al momento de realizar la construcción de la

instalación, en conjunto con los documentos necesarios para la construcción de la misma, como

lo son las especificaciones de construcción, los cómputos métricos y el alcance, medición y

forma de pago y lista de materiales completa a utilizar para la realización del proyecto. Es muy

importante que los documentos de las tres etapas estén correlacionados entre sí y reflejen toda la

información necesaria para llevar a cabo la construcción y operación de la instalación.

9

A continuación se presenta la metodología esquemática aplicada a cada proyecto desarrollado

en esta pasantía, teniendo en cuenta las necesidades específicas de cada uno:



distribución en media tensión, 13,8 kv.

El proyecto consta del diseño de la totalidad de la infraestructura para el manejo de crudo

parafinoso ubicada en el campo San Joaquín-Guario-El Roble, además de un tramo de línea aérea

de distribución en 13,8 kV para la alimentación de la misma, comprendido desde la subestación

San Joaquín hasta la subestación interna del complejo. En esta pasantía se llevó a cabo el cálculo

y diseño de parte mecánica estructural de la línea de distribución. La ubicación de la planta para

el manejo de crudo parafinoso es mostrada en la figura 2.1.1.

Figura 2.1.1 Ubicación geográfica de la localidad [16].

Las líneas de transmisión, sub-transmisión y distribución de energía eléctrica son conformadas

por varios elementos que se pueden dividir en dos grupos, los relacionados a la parte eléctrica

como son los conductores, el cable de guarda, los elementos de aislamiento, conexión y

protección, y una parte mecánica, como las estructuras de apoyo de la línea, los herrajes y

elementos como crucetas, indispensables para la fijación y soporte de los conductores y la línea

en general.

10

Para el correcto análisis estructural de los apoyos y en general de la línea de distribución en

estudio, es necesario calcular las cargas verticales, transversales y longitudinales que deben

soportar las estructuras, así como el momento, torque o par de fuerza ejercido por dichas cargas

sobre las mismas; esto con la finalidad de verificar si los elementos estructurales empleados se

encuentran en capacidad de resistir esfuerzos mecánicos generados por las distintas variables

como el viento, la tensión y el peso de los conductores, etc.

A continuación se presentan algunos conceptos necesarios para el estudio y comprensión de las

fuerzas sobre la estructura:

Inercia: La inercia o el momento de inercia es una magnitud escalar que refleja la distribución

de masas de un cuerpo o un sistema de partículas en rotación, respecto al eje de giro. El momento

de inercia sólo depende de la geometría del cuerpo y de la posición del eje de giro, pero no

depende de las fuerzas que intervienen en el movimiento.

Peso crítico: El peso crítico viene dado por la cantidad máxima de carga mecánica que puede

soportar una estructura sin pandearse o colapsar.

Volcamiento: El volcamiento se puede definir como la rotación de una estructura alrededor de

un eje determinado debido al desequilibrio de momentos generado por una fuerza aplicada sobre

la misma.

Momento máximo: Se define como el momento mayor que puede soportar una estructura sin

comenzar a rotar sobre un eje determinado.

- Metodología aplicada en orden cronológico:

• Revisión bibliográfica de conceptos y normas

• Revisión de catálogos de equipos y accesorios

• Definición y clasificación de apoyos

• Revisión de hipótesis y ecuación de cambio de estados

• Tabla de tensado

11

• Evaluación de altura de postes

• Cálculo de inercias y momentos máximos permisibles de la estructura doble poste,

mostrada en la figura 2.1.2.

Figura 2.1.2 Estructura doble poste.

• Cálculo de cargas transversales, verticales y longitudinales sobre las estructuras doble

poste

• Cálculo de inercias y momentos máximos permisibles de la estructura propuesta para

ángulos de 90º tipo trípode mostrada en la figura 2.1.3.

Figura 2.1.3 Estructura para ángulos de 90º.

• Cálculo de cargas transversales, verticales y longitudinales sobre las estructuras tipo

trípode

• Diseño de planos de detalle para las estructuras de la línea

• Revisión de distancias mínimas

• Selección de cableado y ductos de bancada para el tramo comprendido desde la última

estructura de la línea y los transformadores en la subestación de la planta

12



selectivo con transferencia automática en la estación de rebombeo.

Las subestaciones con secundario selectivo son aquellas que constan de dos barras, ambas

alimentadas con un interruptor de entrada en posición normalmente cerrado y conectadas entre sí

con un interruptor de enlace normalmente abierto [1]. El esquema de secundario selectivo es

presentado en la figura 2.2.1.

Figura 2.2.1 Esquema de control de secundario selectivo general.


• Revisión de diagrama de flujo y filosofía de control del secundario selectivo

13

• Revisión de funciones de protección de los relés asociadas al esquema de transferencia

automática en sistemas con secundario selectivo

• Implementación de transferencia automática y control del esquema con secundario

selectivo


diagramas unifilares de la escuela técnica y fábrica de cilindros de alta presión.

Al momento de realizar el diseño de una fábrica o un edificio administrativo dentro de un

complejo industrial, se debe tomar en cuenta el tipo de cargas asociadas al mismo, niveles de

tensión y servicios especiales requeridos por los mismos. De igual manera se debe plantear una

filosofía de operación de cada instalación, en función del tipo de operación que se tiene

programada para la misma, ya sea turnos de 8 horas, de 24 horas, de Lunes a Viernes o una

instalación en servicio permanente, lo cual incide directamente en diferentes factores del diseño

como por ejemplo la topología de la red y el tipo de alimentación a implementar.


• Evaluación de cargas (motores) y selección de niveles de tensión

• Estudio de alternativas para el esquema de alimentación de cada instalación

• Análisis preliminar de cargas eléctricas (motores, iluminación, servicios industriales, etc.)

• Dimensionamiento de transformadores de distribución, de barras y equipos de protección

asociados a celdas de distribución, así como equipos de protección de alimentadores,

tableros y motores en general

CAPÍTULO 3

DESARROLLO DEL PROYECTO

Al poseer una metodología definida para proyectos de instalaciones eléctricas y tener

establecidas las necesidades y particularidades de cada proyecto en específico, se debe proceder

al desarrollo del mismo, bien sea diseño o adecuación de la instalación eléctrica.

A lo largo del desarrollo del proyecto aparecen problemas a resolver y situaciones particulares

que requieren análisis detallado, para de esta manera lograr obtener un conjunto adecuado de

soluciones que engloben una solución general definida, la cual satisfaga las necesidades

planteadas.



distribución en media tensión, 13,8 kv.

En primera instancia, se debe proceder a revisar todo el material bibliográfico disponible así

como realizar una revisión de las normas asociadas al caso, como distancias mínimas de

seguridad, niveles de tensión, entre otras. Se deben revisar de igual manera los catálogos de

fabricantes, para de esta manera poseer conocimiento de los accesorios como herrajes, crucetas y

postes disponibles a nivel nacional, de ésta manera se disminuyen los costos en el diseño.

Para comenzar el proyecto de diseño de una línea de transmisión, sub-transmisión o

distribución, se deben revisar primeramente las rutas probables y todos los aspectos que

determinen la existencia de obstáculos, presencia de cruces con ángulos elevados, distancias

mínimas de seguridad y aplicación de criterios basados en experiencia validados por las

normativas correspondientes para ubicar y localizar los postes a lo largo del trazado. Todo esto

servirá de base para posteriormente realizar los cálculos y diseño de detalles de los tipos de

15

estructuras, las longitudes de vanos, los esfuerzos mecánicos, los niveles de tensado y flechado,

etc. En el caso del proyecto de Crudo Parafinoso, la ruta de la línea en cuestión viene definida de

la ingeniería básica, información con la cual se clasifican los apoyos de la misma en tres

categorías: de 0 a 5º (alineación), de 6 a 60º (cambios moderados de dirección en la línea) y

mayores de 60º (cambios bruscos de dirección de la línea como cruces de vías). Para las

estructuras de apoyo en alineación, se plantea un diseño con grapas de suspensión, mientras que

para las demás estructuras se utilizarán grapas de amarre.

De igual manera, en la ingeniería básica se definió que la línea debe ser doble terna, trifásica, a

un nivel de tensión de 13,8 kV, con cable de guarda. Por otra parte, el calibre del conductor de

aleación de aluminio desnudo trenzado de 7 hilos designado en la ingeniería básica fue Arvidal

AAAC 6201 4/0 AWG (14,31 mm.), diseño basado en las norma N-201 de PDVSA [1]. Las

condiciones ambientales de la localidad y las características del conductor seleccionado se

presentan a continuación en las figuras 3.1.1 y 3.1.2 respectivamente:

Tabla 3.1.1 Condiciones ambientales de la zona.

Máxima 42,22 Promedio 27,22 Temperatura ambiental (ºC) Mínima 15,56 Máxima 100,00 Velocidad del Viento

(Km./h) Promedio 17,70

Tabla 3.1.2 Características del conductor calibre 4/0 AWG.

Conductor trenzado desnudo de aleación de aluminio AAAC 6201, calibre 14,31 mm. (Nº 4/0 AWG)

Ø (mm.) 14,31 Área (mm.2) 125,1 Nº de hilos 7

Ø Hilo (mm.) 4,77 Peso aproximado (Kg./Km.) 343

Carga de rotura (Kgf.) 3883 Corriente nominal (A) 395

Ef. (Kg./mm.) 6450 α (ºC-1) 23x10-6

16

Con las características del conductor y las condiciones ambientales del lugar, se procede a

utilizar la ecuación de cambio de estados para fijar, de acuerdo a las hipótesis de carga, la tensión

crítica de diseño. Se plantean las hipótesis correspondientes a las normas de distribución de

energía eléctrica de CADAFE [2] y se procede a determinar la condición crítica. Se obtiene la

tensión para cada hipótesis de carga (previamente fijada la condición crítica) y de allí se obtiene,

mediante el uso de criterios de diseño, la tensión a utilizar para el diseño de las estructuras

asociadas a la línea. Dichos criterios están asociados a una evaluación global de los distintos

niveles de tensión calculados para cada hipótesis junto a las condiciones ambientales del sitio.

Las hipótesis de cargas aplicadas a los conductores y al conductor de guarda se presentan en las

figuras 3.1.3 y 3.1.4 a continuación:

Tabla 3.1.3 Hipótesis de carga del conductor.

Arvidal 4/0 AWG

Hipótesis de Carga

Condición de Viento

Temperatura Límite

Tensión Máxima (%)

Tensión Máxima (Kgf.)

Carga de Rotura (Kgf.)

A Máximo Viento Mínima 50 1941,50 3883,00 B Sin Viento Mínima 25 970,75 C Sin Viento Promedio 21 815,43

Localización Sin Viento Máxima - -

Las hipótesis de carga corresponden a las de un conductor sin amortiguación, es decir, que no

contenga elementos amortiguadores de las vibraciones generadas en los conductores [2].

Tabla 3.1.4 Hipótesis de carga del conductor de guarda.

Conductor de Guarda Hipótesis de

Carga Condición de

Viento Temperatura

Límite Tensión

Máxima (%) Tensión

Máxima (Kgf.) Carga de Rotura

(Kgf.) A Máximo Viento Mínima 50 4270,00 8540,00 B Sin Viento Mínima 25 2135,00

Localización Sin Viento Máxima - -

La hipótesis A se establece por seguridad, con la tensión máxima permitida (50% de la tensión

de rotura); la condición B se define para el momento de la construcción de la línea, ya que no

concibe viento y contempla la temperatura mínima (momento favorable para la construcción); la

condición C se define para una condición de temperatura promedio a la cual se encontrará

17

expuesta la línea constantemente; y por último la hipótesis de localización es utilizada para

realizar las tablas de tensado y flechado, ya que refleja la condición de mayor elongación de los

conductores debido a la temperatura máxima y velocidad de viento cero. Estas hipótesis se

plantean para el estudio de las diferentes condiciones a las cuales se encontrará sometido el

conductor a lo largo del tiempo y la tensión del conductor en cada caso, de esta manera y

mediante la aplicación de la ecuación de cambio de estados, se puede verificar cual es la

condición crítica de diseño para que el conductor no sobrepase los límites de tensión establecidos

en cada hipótesis.

El conductor de guarda seleccionado en la ingeniería básica es una guaya de acero galvanizado

de 7 hilos, diámetro de 12,7 mm. (1/2’’), con carga de rotura de 8540 Kgf.

Para el análisis estructural de la línea de distribución se aplicaron distintos criterios de diseño y

ecuaciones de cálculo, así como referencias metodológicas. Un 90% de las ecuaciones aplicadas

y señaladas a lo largo del desarrollo del proyecto provienen de una misma referencia de consulta

[2], [3], [4], [9] y [10]. El resto de las mismas proviene de una referencia diferente [5].

Ecuación de cambio de estados:

( )

−⋅=

−+−⋅

22

22

21

21

221

21 24 τ

ω

τ

ωττθθα

a

Ef 3.1.1

Donde:

α = Coeficiente de dilatación térmica lineal

θ1 = Temperatura en el estado 1

θ2 = Temperatura en el estado 2

τ1 = Tensión unitaria en el estado 1

τ2 = Tensión unitaria en el estado 2

Ef = Módulo de elasticidad final del material

a = Vano ficticio en estudio (vano mayor para el caso crítico). Debido a que el desnivel fue

despreciado para el diseño de la línea, “a” pasa a ser el vano real mayor existente (100 m).

ω1 = Peso compuesto del conductor en el estado 1

18

ω2 = Peso compuesto del conductor en el estado 2

Se fija una hipótesis inicial y se calcula, mediante la resolución de la ecuación de cambio de

estados aplicada para el vano crítico (definido en distribución como el más largo de la línea, y

asumiendo el terreno plano, ya que a lo largo de todo el trayecto de la línea existe un desnivel

máximo de 2 m, lo cual se considera despreciable), la tensión para las demás hipótesis.

La hipótesis crítica viene dada por aquella con cuya tensión máxima se resuelva la ecuación de

cambio de estados y los resultados de tensión arrojados para las demás hipótesis sean menores a

los valores establecidos. Con ésta tensión máxima de hipótesis crítica es con la que se procede al

cálculo del parámetro de la catenaria y al análisis estructural en general de la línea. Debido a la

falta de información acerca de las características del cable de guarda, como su módulo de

elasticidad final y su coeficiente de elasticidad térmica lineal, su se procede a analizar el mismo

como si tuviese las mismas características de los conductores de fase Arvidal 4/0 para efectos de

cálculo de cargas estructurales, obteniendo de esta manera un factor de seguridad, ya que el

conductor de guarda es de un calibre menor al de los conductores de fase.

Con ésta tensión calculada, se obtiene el parámetro de la catenaria de los conductores, el cual se

utiliza para el cálculo de la flecha máxima por aproximación parabólica de un vano determinado

[3].

Ecuación de la catenaria:

⋅=h

xCoshhY 3.1.2

Donde:

h = T/P altura en metros del suelo al punto más bajo de la catenaria (m.)

T = Tensión en el punto más bajo de la catenaria (Kgf.)

Con la tensión calculada para la condición de localización y el peso del conductor se obtiene el

parámetro en caliente de la catenaria de la línea, definido para viento cero y temperatura máxima

(condición de localización). Luego se procede a verificar que, para el vano crítico, la distancia

entre el punto más bajo del conductor y el suelo sea mayor a 6,75 m. [4].

19

Ecuación del parámetro de la catenaria y flecha máxima (aproximación parabólica):

ωT

p = 3.1.3

p

afmáx ⋅

=8

2

3.1.4

Donde:

T = Tensión del conductor

ω = Peso del conductor

a = Vano

Como resultado se obtiene que los postes a utilizar para la conformación de los apoyos de la

línea deben ser de 15 m. de altura, con una fundación de 2,2 m. de profundidad por debajo del

suelo según datos del fabricante [11].

Con la tensión de los conductores definida, se procede a la realización de la tabla de tensado,

utilizando la ecuación de cambios de estado para hallar la tensión final y la flecha máxima para

cada vano en particular y para diferentes temperaturas. La tabla de tensado se encuentra en el

apéndice A.

Como resultado de la ingeniería básica, se obtiene que la línea debe ser doble terna vertical, dos

circuitos por fase. Se propone inicialmente el uso de estructuras conformadas por 2 postes

tubulares de tres secciones arriostrados mediante cartelas de acero galvanizado en caliente

(estructuras tipo “H”), dispuestas con el arriostramiento perpendicular a los conductores de la

línea. En algunas estructuras de interés, el arriostramiento se plantea en dirección paralela a los

conductores. Dichos apoyos de interés son las estructuras terminales de la línea, que contienen

los equipos de conexión y desconexión y protección como reconectadotes o seccionadores.

Para los giros bruscos en la dirección de la línea, como ángulos de 90º para cruces con vías de

comunicación por ejemplo, se propone el uso de estructuras más robustas, conformadas por 3

20

postes tubulares de tres secciones arriostrados entre si. Los ejemplos y detalles de cada tipo de

estructura se encuentran en el apéndice C.

El diseño de la línea incluye el cálculo de la posición del conductor de guarda para un ángulo

efectivo de apantallamiento de 30º [14]. Dicho cálculo se realiza aplicando simple geometría al

fijar el ángulo de apantallamiento y tener definida la distancia a la cual se encontrará el conductor

del poste, tomando en consideración las distancias establecidas en las normas. Debido a la doble

terna y el arriostramiento entre postes, resulta más conveniente colocar un conductor de guarda

en cada poste sobre la respectiva terna, para de esta manera obtener un ángulo de apantallamiento

efectivo para cada terna y una mejor disposición en la estructura.

La línea será protegida contra descargas atmosféricas mediante 2 conductores de guarda,

situados a una distancia de 1,15 m. por encima del conductor de fase más alto en cada poste, lo

cual genera un ángulo de apantallamiento de 30º para la protección de la línea, debido a la

ubicación del conductor en la cruceta, a 70 cm. del poste.

Para realizar el análisis estructural se utilizan las hipótesis asociadas a situaciones extremas,

como la velocidad máxima del viento, los vanos mayores de la línea, la dirección del viento en el

peor caso, la convergencia de fuerzas y la aplicación de las mismas en las peores situaciones

posibles, y de ésta manera se obtiene un factor de seguridad para el diseño de las estructuras,

debido a que se dimensionan las estructuras para soportar esfuerzos mucho más elevados que los

que realmente se ejercerán sobre las mismas. Sin embargo, en algunos casos se debe realizar un

estudio más detallado acerca de las condiciones a soportar por las estructuras, ya que de lo

contrario se incurre en el sobredimensionamiento de las mismas y la elevación de los costos. Los

casos donde se realicen éstos detalles y consideraciones especiales serán señalados y explicados

con detalle.

Por otra parte, para el análisis estructural se considera también que las uniones (cartelas de

arriostramiento) entre los postes son ideales, es decir, que las características del material de las

mismas son idénticas al material de los postes.

Para la verificación y comparación de esfuerzos de las estructuras se implementa la

metodología de análisis por comparación de momentos, se obtiene el momento máximo que

21

soporta la estructura y se compara con los momentos generados por los esfuerzos reales aplicados

sobre la misma, de manera de estudiar si la estructura soporta o no las cargas mecánicas. Para el

análisis de la estructura conformada por tres postes (ángulos de 90º grados), se aplica una

metodología distinta, con diferentes hipótesis, las cuales serán presentadas y explicadas con

detalle más adelante.

Análisis estructural de los apoyos conformados por dos postes, presentada a continuación en la

figura 3.1.1:

Vista de planta

Figura 3.1.1 Estructura conformada por dos postes arriostrados.

• Para el volcamiento generado fijando como pivote el eje X-X que se muestra a continuación

en la figura 3.1.2:

Figura 3.1.2 Eje de volcamiento longitudinal.

El momento máximo que soporta la estructura viene dado por:

HECM máx ⋅⋅= 2 3.1.5

Donde:

2 = Debido a que la estructura es conformada por dos postes

EC = Esfuerzo en cumbre de un poste (Kg.) = 510 Kgf. [11]

H = Altura libre del poste (m.)

Mmáx calculado = 13.056 Kgf.·m.

X X

22

El peso crítico de un poste viene dado por la ecuación:

2

2

Ln

IEKPcr e

⋅

⋅⋅⋅=

π 3.1.6

Donde K será ¼ para el caso en que un extremo del poste se considere libre, como sería el caso

de los postes que no necesiten el uso de retenidas, como los postes en alineación o de ángulos

pequeños. Para los casos en que se requieran retenidas, el valor de K será 1. Para éste proyecto en

particular, se debe tomar en cuenta para los cálculos el hecho de la exigencia por parte del cliente

de que no se implementarán retenidas.

E = Módulo de elasticidad del material (Kg./cm2). El del acero galvanizado en caliente a emplear

será de 2.030.000 Kg./cm2

Ie = Inercia promedio de la estructura (cm4)

n = Coeficiente de seguridad = 3

L = Altura libre del poste (cm.)

Los postes tubulares son de tres secciones, por lo que surge la necesidad de calcular la inercia

promedio de la estructura mostrada a continuación en la figura 3.1.3.

23

Figura 3.1.3 Poste tubular de tres secciones [11].

Para calcular la inercia promedio de la estructura se tiene que:

L

LILILII e

332211 ⋅+⋅+⋅= 3.1.7

( )44

64 iei DDI −⋅=π

3.1.8

Donde:

Ii = Inercia de la sección i del poste (cm4)

De = Diámetro externo de la sección i (cm.)

Di = Diámetro interno de la sección i (cm.)

Ie = 2.479,1 cm4

24

En el peor caso se obtiene:

KgPcr 97,525.28,123

1,479.2000.030.241

2

2

=⋅

⋅⋅⋅=

π 3.1.9

Debido a que la estructura esta conformada por dos postes en paralelo unidos mediante un

arriostramiento de acero, el peso crítico se duplica, ya que la estructura es más robusta y posee

mayor capacidad de carga vertical, quedando el peso crítico de la estructura en análisis como Pcr

= 5.051,94 Kg. [5].

• Para el volcamiento generado fijando como pivote el eje Y-Y que se muestra a continuación

en la figura 3.1.4:

Figura 3.1.4 Eje de volcamiento transversal.

El momento máximo que soporta la estructura viene dado por:

ZM máx ⋅= σ 3.1.10

Donde:

σ = Esfuerzo del material = 3.000 Kg/cm2

Z = Módulo de sección de la estructura (cm3)

Y Y

25

El módulo de sección de la estructura es

Y

IZ e= 3.1.11

Donde:

Ie = Inercia promedio de la estructura (cm4)

Y = Distancia entre el eje de volcamiento y la fibra de la estructura más alejada al mismo (cm.)

Por otra parte, se calcula la inercia promedio de la estructura mediante el cálculo de la inercia

de cada sección de los postes y su aporte extra debido a la disposición de los mismos. Se utiliza la

inercia promedio de los postes debido a que los mismos se estudian como una unidad estructural,

aun cuando son conformados por tres secciones distintas y por lo tanto cada sección posee su

inercia propia. Mediante el promedio de las inercias de cada sección se puede obtener el

equivalente a la inercia de la estructura en su totalidad.

L

LILILII xxxe

332211 ⋅+⋅+⋅= 3.1.12

Donde:

Ixi = Inercia con respecto al eje de volcamiento de la sección i del poste (cm4)

Li = Longitud de la sección i del poste (m)

L = Altura libre del poste (m.)

Del catálogo del fabricante venezolano Saien [11], se muestran a continuación la lista de postes

tubulares de tres secciones disponibles en las figuras 3.1.5-A y 3.1.5-B:

26

Figura 3.1.5-A Catálogo Saien – Postes tubulares de tres secciones [11].

27

Figura 3.1.5-B Catálogo Saien – Postes tubulares de tres secciones [11].

28

De donde se obtiene que para los postes de 15 m. de altura, las distancias de cada sección

corresponden a:

L1 = 6.3 m L2 = 3.25 m L3 = 3.25 m L = 12.8 m

222 dAII iixi ⋅⋅+⋅= 3.1.13

Donde:

Ii = Inercia de la sección i del poste (cm4)

Ai = Área efectiva de la sección i del poste (cm2)

d = Distancia desde el eje de volcamiento hasta el centro de un poste (cm.)

La inercia asociada a cada sección del poste viene dada por:

( )44

64 iei DDI −⋅=π

3.1.14

Y el área efectiva de una sección cilíndrica es:

( )22

4 ie DDA −⋅=π

3.1.15

Donde:

De = Diámetro externo de la sección i (cm.)

Di = Diámetro interno de la sección i (cm.)

Con el valor d = 38,65 cm., se obtiene para cada sección:

( )441 47,263,27

64−⋅=

πI = 3.178,6 cm4 A1 = 35,18 cm

2 Ix1 = 111.451,63 cm4

( )442 62,2345,24

64−⋅=

πI = 2.254,4 cm4 A2 = 31,19 cm

2 Ix2 = 97.685,898 cm4

29

( )443 23,2191,21

64−⋅=

πI = 1.347,8 cm4 A3 = 23,17 cm

2 Ix3 = 71.928,87 cm4

Ie = 97.921,35 cm4 Z = 1.872,3 cm3 Y = 52,3 cm.

Pcr = 99.786,55 Kg. Mmáx = 5.616.900 Kgf·cm. = 56.169 Kgf·m.

Análisis estructural de los apoyos conformados por tres postes (utilizada para los ángulos de

90º únicamente), mostrado en la figura 3.1.6 a continuación:

Figura 3.1.6 Vista de planta de estructura de tres postes.

• La estructura planteada posee dos ejes de volcamiento debido a su geometría simétrica y a

la incidencia de las fuerzas en estudio sobre la misma (viento, conductores, etc.) como se

puede observar en la figura 3.1.7:

30

Figura 3.1.7 Ejes X e Y de volcamiento de estructura de tres postes.

Para los apoyos en análisis, el momento de volcamiento máximo para ambos ejes es igual

debido a la simetría de la estructura. Se selecciona el eje X para realizar el análisis en cuestión,

representado en la figura 3.1.8.

Figura 3.1.8 Eje X de volcamiento para estructuras de tres postes.

Las distancias a y b se obtienen mediante el equilibrio de momentos:

( )bcAbA −⋅⋅=⋅ 2 3.1.16

cba =+ = 77,3 cm. 3.1.17

X

a

b

X

Y

X

Y

X

31

Esta igualdad se debe a que el área (A) de las secciones multiplicada por la distancia al eje de

volcamiento del poste, es proporcional al momento ejercido sobre la estructura y finalmente se

obtiene un equilibrio de momentos [5]. Se utiliza el diámetro de la sección más baja de los postes

solamente, ya que es la sección que más esfuerzo por flexión debe soportar.

a = 25,77 cm. b = 51,53 cm.

Con estas distancias, se procede al cálculo de las inercias con respecto al eje de volcamiento de

cada sección.

2223 bAaAII iiixi ⋅+⋅⋅+⋅= 3.1.18

Para cada sección se obtiene:

Ix1 = 149.676,27 cm4 Y = 65,18 cm.

Ix2 = 131.009,4 cm4 Z = 2.015,87 cm3

Ix3 = 96.341,71 cm4 σ = 3000 Kg/cm2

Ie = 131.394,66 cm4 Pcr = 133.897,45 Kg.

Mmáx = 6.047.621,66 Kgf.·cm. = 60.476,22 Kgf.·m

Fmáx = Mmáx/L = 4.724,7 Kgf.

Con el valor calculado de momento máximo y fuerza máximo de las estructuras en estudio, se

procede al cálculo de momentos y fuerzas ejercidas sobre las estructuras que conforman la línea

aérea y se comparan con los valores máximos, para determinar si la estructura soporta las

respectivas cargas.

32


suspensión para alineación y para ángulos hasta de 5º

− Cargas Transversales:

Momento generado por la presión del viento sobre las estructuras:

( ) ( )[ ]3213321222

11 2222

LLLLDLLLDLDPvp

Mvp +⋅+⋅⋅⋅++⋅⋅⋅+⋅⋅= 3.1.19

26,0007,0 VPv ⋅⋅= 3.1.20

La presión del viento se multiplica por un factor 0,6 debido a que los postes poseen una

superficie cilíndrica. La velocidad del viento se considera la máxima para obtener la condición

crítica, V = 100 Km./h.

Pvp = 42 Kg./m2 Mvp = 826,25 Kgf·m.

El momento resultante generado por la presión del viento sobre un poste se duplica, ya que son

2 postes los que conforman la estructura y se obtiene Mvp = 1.652,49 Kgf·m.

El momento generado por la presión del viento sobre los accesorios se estima en un 10% del

momento generado sobre el poste, por lo tanto Mvacc = 82,63 Kgf·m., que de nuevo se duplica por

la existencia de dos postes en la estructura, Mvacc = 165,25 Kgf·m.

El momento generado por la presión del viento sobre los conductores viene dado por

∑ ⋅⋅⋅= ii hDaPvcMvc 3.1.21

Donde “a” es el vano crítico de toda la línea (a = 100 m.), D es el diámetro del conductor y h es

la altura efectiva a la que se encuentra el conductor sobre el suelo. Debido a que la línea en

diseño es doble terna, se duplica el momento resultante.

33

( )45,120127,049,3101431,0100422 ⋅+⋅⋅⋅⋅=Mvc = 5.113,39 Kgf·m. 3.1.22

El ángulo topográfico, mostrado en la figura 3.1.9, juega un papel importante en el análisis de

las cargas transversales y longitudinales.

Figura 3.1.9 Ángulo generado en los conductores debido a desviaciones de la línea.

El momento resultante por el tiro de los conductores viene dado por:

∑

⋅⋅⋅=2

2α

SenhTMtr i 3.1.23

Donde T es la tensión de cada conductor en condición de flecha máxima, la cual es igual para

las tres fases y para tener un factor de seguridad elevado, se calcula con el cable de guarda a la

misma tensión, aun cuando esto no es cierto, ya que el conductor de guarda es de un calibre

menor al conductor de fase y por lo tanto su tensión es menor; h es la altura efectiva de cada

conductor con respecto al suelo, la cual está definida como la altura real del conductor menos dos

tercios de la flecha mayor de las adyacentes a la estructura; α es el ángulo entre los conductores

como se muestra en la figura. El momento del tiro de los conductores se duplica debido a la doble

terna.

94,43073,5604 ⋅⋅=Mtr = 4.293,82 Kgf·m. 3.1.24

El momento actuante total será MA = Mvp + Mvacc + Mvc + Mtr = 11.224,95 Kgf·m. < 56.169

Kgf·m. = Mmáx que resiste la estructura transversalmente, por lo tanto la estructura soporta las

cargas y no se pandea.

α

34

− Cargas Longitudinales:

Para las estructuras en suspensión, las cargas longitudinales son cero, ya que el conductor

reposa sobre las grapas de suspensión y posee la misma tensión en ambos lados. En caso de que

se rompa un conductor, la peor condición vendría dada si se rompe a mitad de vano con una

hipótesis de rotura del 75% de la tensión del conductor sano como tensión remanente, donde

asumiendo para el vano crítico de 100 m, el peso del conductor sería de 17,15 Kg, generando un

momento de 219,52 Kgf.·m. en el peor caso, lo cual es despreciable en comparación al momento

máximo que resiste la estructura longitudinalmente. El momento producido por el viento sobre

los postes, los accesorios y las cartelas o láminas de arriostramiento influye, donde Mvp =

1.652,49 Kgf·m., Mvacc = 165,25 Kgf·m. y además se tiene que:

hNPvAMv cartelascartelacartelas ⋅⋅⋅= 3.1.25

Donde Acartela es el área de cada cartela, Pv la presión del viento, Ncartelas el número de cartelas

por estructura y h la altura de la cartela más alta, Mvcartelas = 280,35 Kgf·m. El momento actuante

total será MA = 2.317,61 Kgf·m. < 13.056 Kgf·m. = Mmáx que resiste la estructura, por lo tanto

soporta las cargas y no se pandea.

− Cargas Verticales:

Las cargas verticales en los apoyos vienen dadas por:

Cv = Pconductores + Ppostes + Paisladores + Paccesorios + Phombre + Pcartelas 3.1.26

gcsconductore VwNSCP ⋅⋅= 3.1.27

Donde NSC es el número de subconductores, wc es el peso del conductor por metro y Vg es el

vano gravante, que en este caso es igual al vano medio debido a que el desnivel del terreno es

despreciable y se calcula con el mayor de la línea (100 m). Aquí se incluyen tanto los 6

conductores de fase como ambos conductores de guarda.

35

aaisladores wNAISNCADP ⋅⋅= 3.1.28

Donde NCAD es el número de cadenas de aisladores, NAIS es el número de aisladores y wa es

el peso de cada aislador.

Paccesorios = Pcrucetas + Pabrazaderas + Padaptadores + Pgrilletes + Pgrapas + Penlaces de guía + Ppernos de ojo 3.1.29

Pcrucetas = 57 Kg Pabrazaderas = 13,4 Kg Padaptadores = 6,6 Kg Pgrilletes = 3,2 Kg

Pgrapas = 96 Kg Penlaces de guía = 1,3 Kg Ppernos de ojo = 2,76 Kg

10058,02100343,06 ⋅⋅+⋅⋅=sconductoreP = 321,8 Kg 3.1.30

7102 ⋅=postesP = 1.420 Kg 3.1.31

6,226 ⋅⋅=aisladoresP = 31.2 Kg 3.1.32

Paccesorios = 180,26 Kg Phombre = 100 Kg Pcartelas = 60 Kg (se utiliza un peso unitario de

80 Kg/m2 para las cartelas)

Cv = 2.113,26 Kg. < Pcr = 5.051,94 Kg, por lo tanto la estructura soporta las cargas.

3.1.2 Cálculo de las cargas transversales, longitudinales y verticales de las estructuras en amarre

para ángulos mayores a 5º hasta 60º

Se toman los casos críticos de la línea en diseño, que corresponden a ángulos de 8º y 56º.

36

Apoyos con ángulo de 8º:


El momento generado por la presión del viento sobre los postes y sobre los accesorios es el

mismo que para los apoyos en alineación, Mvp = 1.652,49 Kgf·m., Mvacc = 165,25 Kgf·m.

Por otra parte, se asume el momento generado por la presión del viento sobre los conductores

igual al generado en los apoyos en alineación para realizar un estudio más conservador, Mvc =

5.113,39 Kgf·m.

El momento generado por el tiro de los conductores es de Mtr = 6.866,72 Kgf·m.

El momento actuante total es de MA = 13.797,85 Kgf·m < 56.169 Kgf·m = Mmáx que resiste la

estructura transversalmente, la cual soporta las cargas y no se pandea.


Las cargas longitudinales vienen dadas por:

( )

⋅⋅−⋅=2

cosα

TdNSCDTiNSCICl 3.1.33

Donde NSCI es el número de subconductores del lado izquierdo del apoyo y NSCD es el

número de subconductores del lado derecho. Respectivamente, Ti es la tensión del lado izquierdo

del apoyo y Td la del lado derecho; α es ángulo del apoyo.

Para el apoyo de 8º con diferencia de tensiones mayor, Ti = 560,073 Kgf, Td = 509,407 Kgf,

asumiendo el conductor de guarda a la misma tensión (equivocado debido a que las

características del conductor de guarda son diferentes a las de los conductores de fase, pero

ofrece un factor de seguridad mayor) y asumiendo que el conductor se rompe en el lado con

tensión menor se obtiene una carga longitudinal de 912,51 Kgf, fuerza que genera un momento

37

en el poste, tomando la carga en el tope del mismo de 11.680,09 Kgf.·m., tomando la hipótesis de

rotura del 75% de la tensión del conductor sano como tensión remanente.

El momento generado por la presión del viento sobre los postes y la cartelas se toma en cuenta

también, de manera de analizar la situación extrema, donde Mvp = 1.652,49 Kg.m y Mvcartelas =

280,35 Kgf·m. El momento actuante total será MA = 13.612,93 Kgf·m. > 13.056 Kgf·m. = Mmáx

que resiste la estructura longitudinalmente, por lo tanto la misma no soporta el esfuerzo y se

pandea.

El momento generado por la carga longitudinal se calcula de manera conservadora, siendo el

punto de aplicación de la fuerza la altura libre del poste, lo cual es incorrecto. Al realizar un

estudio más detallado, el punto de aplicación real de la carga longitudinal es un promedio de las

alturas con respecto al suelo de cada conductor y del cable de guarda, que para éste análisis se

está considerando semejante en peso y tensión a los conductores de fase. Éste punto de aplicación

de la fuerza es a 11 m del suelo, generando un momento de 10.037,61 Kgf·m. Con éste momento

nuevo, el momento actuante total será MA’ = 11.970,45 Kgf·m. < 13.056 Kgf·m. = Mmáx que

resiste la estructura longitudinalmente, por lo tanto la misma soporta las cargas y no se pandea.




Los pesos de los conductores, los postes, los aisladores, el hombre y las cartelas son los mismos

calculados para los apoyos en alineación.

Paccesorios = Pcrucetas + Pabrazaderas + Padaptadores + Pgrilletes + Pgrapas + Ptuercas de ojo + Ppernos roscados

3.1.35

Pcrucetas = 114 Kg Pabrazaderas = 14,2 Kg Padaptadores = 6,6 Kg

Pgrilletes = 5,6 Kg Pgrapas = 512 Kg Ptuercas de ojo = 1,2 Kg

Ppernos roscados = 3,3 Kg

38

10058,02100343,06 ⋅⋅+⋅⋅=sconductoreP = 321,8 Kg 3.1.36

7102 ⋅=postesP = 1.420 Kg 3.1.37

6,2212 ⋅⋅=aisladoresP = 62,4 Kg 3.1.38

Paccesorios = 656,9 Kg Phombre = 100 Kg Pcartelas = 60 Kg

Cv = 2.621,1 Kg. < Pcr = 5.051,94 Kg., por lo tanto la estructura soporta.



El momento generado por la presión del viento sobre los postes y sobre los accesorios es el

mismo que para los apoyos en alineación, Mvp = 1.652,49 Kgf·m. y Mvacc = 165,25 Kgf·m.

El momento generado por la presión del viento sobre los conductores varía con respecto al de

las estructuras en alineación, debido a que el vano medio de el apoyo en 56º es de 56,5 m, así

como varía el momento causado por el tiro de los conductores con respecto al del apoyo en 8º,

Mvc = 2.889,1 Kgf·m, Mtr = 46.214,04 Kgf·m.

Una vez realizado el cálculo con mayor detalle como se menciona anteriormente, el momento

actuante total será MA = 50.920,88 Kgf·m. < 56.169 Kgf·m. = Mmáx que resiste la estructura

transversalmente, por lo tanto la estructura soporta las cargas y no se pandea.


Para el apoyo de 56º, Ti = 507,357 Kgf, Td = 510,158 Kgf, asumiendo el cable de guarda a la

misma tensión (equivocado, pero ofrece un factor de seguridad mayor) y asumiendo que el

conductor se rompe en el lado con tensión menor se obtiene Cl = 467,8 Kgf, fuerza que genera un

momento en el poste, tomando la carga en el tope del mismo de 5.987,26 Kgf·m, tomando la

39

hipótesis de rotura del 75% de la tensión del conductor sano como tensión remanente. El

momento generado por la presión del viento sobre los postes y la cartelas se toma en cuenta

también, de manera de analizar la situación extrema, donde Mvp = 1.652,49 Kgf·m y Mvcartelas =

280,35 Kgf·m. El momento actuante total será MA = 7.920,1 Kgf·m < 13.056 Kgf·m = Mmáx que

resiste la estructura longitudinalmente, por lo tanto la misma soporta sin pandeo.


Las cargas transversales son exactamente las mismas que las del apoyo en 8º.


Para el análisis estructural de las estructuras con ángulos de 90º o conformadas por tres postes,

se consideran hipótesis diferentes a las implementadas hasta ahora. Se considera la velocidad

promedio del viento en la zona para el cálculo de las cargas asociadas a la presión del viento

sobre la estructura y se verifica la resistencia de la estructura a los esfuerzos mecánicos mediante

la comparación de fuerzas, es decir, se procede a descomponer la fuerza total aplicada sobre la

estructura en sus componentes en dos ejes cartesianos para la comparación de la misma con los

esfuerzos en cumbre máximos que soporta la estructura. Se implementa ésta metodología de

comparación y verificación de soporte de esfuerzo debido a que el momento total ejercido sobre

la estructura implica un nivel mucho más complejo de cálculo debido a la geometría de la misma.


Para la estructura con tres postes, el momento generado por el viento sobre los postes y sobre

los accesorios varía debido a que son tres postes y tres grupos de accesorios, por lo tanto Mvp =

2.478,74 Kgf·m y Mvacc = 247,87 Kgf·m.

El momento generado por la acción del viento sobre los conductores y por el tiro de los mismos

también varían, resultando Mvc = 4.908,91 Kgf·m debido a que el vano medio mayor de una

estructura de 90º es de 96 m y Mtr = 69.606,48 Kgf·m. El momento actuante total será MA =

77.242 Kgf·m. Este momento es producido por una fuerza aplicada sobre el poste, que para

efectos del análisis se considera en el punto más alto del mismo como punto crítico, donde la

40

fuerza ejercida es de 6.005,08 Kgf, lo cual genera un factor de seguridad, ya que en realidad el

punto de aplicación de la fuerza es más abajo en la estructura. Al separar en componentes de la

manera ilustrada en la figura 3.1.10, se obtiene:

Figura 3.1.10 Descomposición en componentes de la fuerza transversal sobre estructura de tres

postes.

Estas componentes de fuerza se suman a las fuerzas aplicadas sobre la estructura

longitudinalmente (890,47 Kgf.) y se obtiene la fuerza total aplicada sobre la estructura, de

5.157,53 Kgf > 4.724,7 Kgf = Fmáx que soporta la estructura. Esta fuerza aplicada es producto de

considerar el viento a su velocidad máxima (100 Km/h). Al realizar el estudio con más detalle, se

considera la velocidad del viento promedio (17,7 Km/h) para el cálculo del momento transversal

sobre la estructura, para de esta manera evitar el sobredimensionamiento de la misma y obtener

valores más cercanos a la realidad.

La presión del viento promedio es de 1,32 Kg/m2, de donde se obtiene Mvp = 25,97 Kgf·m,

para los tres postes Mvp = 77,9 Kgf·m y por lo tanto Mvacc = 7,79 Kgf·m. Por otra parte, Mvc =

154,29 Kgf·m, y Mtr = 69.606,48 Kgf·m, ya que no depende de la presión del viento. El momento

actuante total transversal nuevo será MA = 69.846,46 Kgf·m, generado por una fuerza de 5.456,75

Kgf, la cual descompuesta en sus componentes arroja los resultados mostrados en la figura

3.1.11.

6.034,53 Kgf

4.267,06 Kgf

4.267,06 Kgf

41

Figura 3.1.11 Descomposición en componentes de la fuerza transversal sobre la estructura de tres

postes para velocidad del viento promedio.

Estas componentes de fuerza se suman a las fuerzas aplicadas sobre la estructura

longitudinalmente (732,67 Kgf), la cual es obtenida de dividir el momento actuante total

calculado utilizando la presión del viento promedio, entre la altura libre del poste, y se obtiene la

fuerza total aplicada sobre la estructura que es de de 4.591,18 Kgf < 4.724,7 Kgf = Fmáx que

resiste la estructura, por lo cual soporta la carga y no se pandea.


El apoyo 4 posee la mayor diferencia entre las tensiones en sus extremos, por lo cual se

considera como caso crítico para el análisis de las cargas longitudinales. Se asume de nuevo el

cable de guarda con la misma tensión del conductor de fase. Cl = 725,45 Kgf que al asumirla

aplicada en el punto más alto del poste (peor caso), genera un momento Ml = 9.285,79 Kgf·m.

Además se toma en cuenta el efecto de la presión del viento sobre dos de los postes y sobre las

cartelas, Mvp = 1.652,49 Kgf·m y Mvcartelas = 459,77 Kgf·m, tomando en consideración las

cartelas más grandes solamente y velocidad de viento máxima, con su fuerza aplicada de forma

concentrada en la cartela más alta. El momento actuante total será MA = 11.398,05 Kgf·m <

60.476,22 Kgf·m = Mmáx que resiste la estructura en estudio, por lo que soporta la carga y no se

pandea.

5.456,75 Kgf

3.858,51 Kgf

3.858,51 Kgf

42




El peso de los conductores es el mismo al calculado para los apoyos en alineación Pconductores =

321,8 Kg. El peso de los poste es mayor en este arreglo, ya que existen tres postes,

7103 ⋅=postesP = 2.130 Kg.

El peso de los aisladores aumenta debido a los aisladores de palillo utilizados para darle soporte

al puente entre los conductores en el amarre,

5,226,2212 ⋅+⋅⋅=aisladoresP = 67,4 Kg. 3.1.40

El peso del hombre se estima igual, Phombre = 100 Kg y el peso de las cartelas aumenta debido a

las cartelas adicionales necesarias para el arreglo de tres postes, Pcartelas = 218,4 Kg.

Paccesorios = Pcrucetas + Pabrazaderas + Padaptadores + Pgrilletes + Pgrapas + Ptuercas de ojo + Ppernos roscados + Ppalillos

3.1.41

Pcrucetas = 228 Kg. Pabrazaderas = 26,44 Kg. Padaptadores = 13,2 Kg.

Pgrilletes = 6,4 Kg. Pgrapas = 512 Kg. Ptuercas de ojo = 1,2 Kg.

Ppernos roscados = 6,6 Kg. Ppalillos = 2,2 Kg. Paccesorios = 796,04 Kg.

La carga vertical resultante total es Cv = 3.633,64 Kg. < 133.897,45 Kg. = Pcr de la estructura

de tres postes, por lo tanto soporta la carga.

Al validar la propuesta de las estructuras de apoyo para la línea de distribución mediante el

análisis presentado, se procede al diseño de los planos de detalle para las estructuras. Clasificadas

en tres grupos, estructuras en suspensión para ángulos de 0 a 5º, estructuras de amarre entre 6 y

60º y estructuras mayores a 60º. Las estructuras utilizadas para la instalación de equipos de

43

protección y desconexión como seccionadores y reconectadores, así como las estructuras

utilizadas para realizar la derivación de las líneas de distribución en 13,8 kV existentes, poseen

detalles particulares para cada caso.

Se realiza el diseño de la estructura respetando las distancias mínimas horizontales entre

conductores y entre conductores y el poste (tierra), así como las distancias mínimas entre los

conductores energizados y los cables de guarda [4]. Tomando en cuenta la flecha para el vano

crítico de 100 m a 30 ºC (0,584 m) y resolviendo la ecuación:

fkVs 68,3762,0 +×= 3.1.42

Para conductores mayores a calibre 2 AWG, donde s es la separación mínima horizontal entre

conductores energizados debido a la flecha, kV es la tensión entre los mismos y f la flecha

máxima, se obtiene que s = 38,64 cm.

Por otra parte, se tiene que:

kVcms /15,30 += 3.1.43

De donde s = 44,3 cm. que es la distancia horizontal entre conductores energizados que se

encuentran sobre la misma estructura. Ambas distancias cumplen con la norma establecida, así

como los espacios de trepado y trabajo en la línea también cumplen solo con tomar en cuenta

que la cartela de arriostramiento posee 50 cm. de longitud, lo cual es equivalente a la distancia

entre ambos postes.

De igual manera se verifican las distancias mínimas entre conductores y cables de guarda, la

cual debe ser mínimo de 1 m [4]. La distancia entre los conductores y los cables de guarda es

mayor a 1,15 m en el diseño propuesto.

Además, se toma en cuenta el efecto de los ángulos sobre las distancias mínimas, ya que al

cambiar de rumbo la línea, los conductores pueden alargar o recortar su distancia a cruceta y por

lo tanto comprometer las distancias mínimas del conductor energizado a tierra [4].

44

Utilizando:

×××= −

g

mmmmáx

V

V

p

dVTg 5

1 2453,0θ 3.1.44

Donde V5mm = velocidad de viento estacionaria máxima (5 minutos) para un período de retorno

de 50 años (se utiliza la velocidad promedio del viento en Km/h), d y p son el diámetro (m) y el

peso unitario (Kg/m) del conductor respectivamente y la relación Vm/Vg es igual a 1, ya que el

desnivel existente es despreciable. Se obtiene θmáx = 10,27º como ángulo máximo que puede

poseer la estructura para respetar la distancia mínima, mientras que el mayor ángulo de una

estructura en suspensión propuesta para la línea en estudio es de 5º, por lo tanto cumple porque es

mucho menor.

Por último, se diseña la bancada para cables en media tensión desde la estructura terminal de la

línea aérea hasta la subestación eléctrica, donde se encuentran las celdas de media tensión y de

allí a dos transformadores tipo pedestal de 500 kVA. De acuerdo con las normas de PDVSA [1] y

por criterio de ampacidad en ductos, el cable seleccionado es de cobre, 19 hilos, calibre 2 AWG

(24 mm.) con aislamiento XLPE para 15 kV, 90ºC, al 100%. El área transversal del cable es de

447 mm2, por lo que el área total de cables dentro del ducto es de 1.340,3 mm2 (1 cable

monopolar por fase). Una tubería de 4’’ (102 mm.) de diámetro posee 8.107,32 mm2 de sección

transversal, y utilizando un criterio del 40% de área de utilización de la tubería por espacio de

trabajo y ventilación [1], se obtiene un área disponible de 3.243 mm2 < 1.340,3 mm2, por lo tanto

la tubería a utilizar es de 4’’ (102 mm.), se proponen dos ductos en la bancada (AD2-C) para

considerar reserva.

En la figura 3.1.12 se puede apreciar el recorrido de las bancadas desde el último poste de la

línea aérea hasta llegar a los transformadores que alimentan la subestación de la planta de manejo

de crudo parafinoso. En las figuras 3.1.13 y 3.1.14 se presentan los detalles de la bancada en

cuestión.

45

Figura 3.1.12 Bancadas provenientes de la línea aérea hacia las celdas de media tensión.

Figura 3.1.13 Detalle de cruce de bancadas.

46

Figura 3.1.14 Detalle de bancada AD2-C.



selectivo con transferencia automática en la estación de rebombeo.

Para el caso en estudio, se propone el uso de dos transformadores con la capacidad necesaria

para suplir la carga total de la estación para aumentar la confiabilidad del sistema, debido a que si

alguno de los transformadores debe salir de servicio por mantenimiento o falla en el sistema, el

otro transformador pueda suplir la carga completa de la estación.

Lo que se persigue principalmente con la aplicación del secundario selectivo es el aumento en

la confiabilidad del sistema, ya que mediante el uso de este sistema de control, se puede

proporcionar energía a la carga permanentemente, aun cuando alguno de los transformadores

requiera salir de servicio para mantenimiento o en el caso de que ocurra una falla en alguno de

ellos.

47

El esquema de control provee el suministro de alimentación para cada barra desde su

transformador aguas arriba. El esquema de transferencia automática permite que ambas barras

sean alimentadas desde un solo transformador aguas arriba mediante el enlace directo entre

barras. La transferencia puede ser manual para sacar fuera de servicio una entrada o colocar en

servicio una entrada después de una operación de transferencia. Para esquemas con fuentes no

sincronizadas, es vital la implementación de un relé de verificación de sincronismo.

El diseño del sistema considera que en el caso de falla en un alimentador primario o de un

transformador, exista respaldo, por lo cual cada transformador debe estar capacitado para manejar

cargas de ambas barras. La fracción de carga a ser manejada por el transformador de respaldo

debe ser definida según los requerimientos del proceso.

Se instalará un selector de tres posiciones únicamente (entrada 1, 2 o enlace) para evitar el

paralelismo de ambos transformadores (en caso de ser fuentes no sincronizadas) y para evitar que

las cargas queden sin fuente de alimentación. Para fuentes sincronizadas, el selector se conectará

de tal manera que el interruptor seleccionado se dispare posteriormente al cierre de los tres

interruptores. Por lo tanto, las entradas estarán en paralelo momentáneamente durante el cambio,

a fin de evitar la interrupción del servicio, esto se conoce como transición cerrada, mientras que

la transición abierta viene dada cuando la carga queda desconectada del sistema al momento de la

transferencia [1].

El esquema de secundario selectivo con transferencia automática concibe equipos de medición,

protección de los transformadores y equipos para el monitoreo y verificación de condiciones

como: mínima tensión, sincronismo entre fuentes y tensión residual en barras, señalados en la

figura 3.2.1. La parte de protección a los transformadores comprende relés con función de

sobrecorriente instantánea (50) y de tiempo inverso (51) de fase y tierra, relé de presión súbita del

aceite del transformador o relé de Buchholz (63), relés de bloqueo de reposición manual (86) y

relés auxiliares de control (83), además cuenta con equipos de supervisión como luces

indicadoras y banderas.

48

Figura 3.2.1 Esquema de control con secundario selectivo [1].

Las funciones de protección principales utilizados en el esquema de secundario selectivo con

transferencia automática, con su respectiva numeración ANSI son las siguientes:

25: Relé con función de verificación de sincronismo.

27: Relé con función de inducción de baja tensión.

27L: Relé con función instantáneo de baja tensión.

27R: Relé con función de tensión residual.

50/51: Relé con función de sobrecorriente de fase temporizado con característica de tiempo

inversa e instantánea.

49

50N/51N: Relé con función de sobrecorriente de neutro temporizado con característica de tiempo


50G/51G: Relé con función de sobrecorriente de tierra temporizado con característica de tiempo


50: Relé con función de sobrecorriente instantánea de fase.

50G: Relé con función de sobrecorriente instantánea de tierra.

51: Relé con función de inducción de sobrecorriente de fase temporizado con característica de

tiempo inversa.

51G: Relé con función de inducción de sobrecorriente de tierra temporizado con característica de

tiempo inversa.

63: Relé con función de presión súbita de aceite del transformador o relé de Buchholz (contacto

de flujo).

86: Relé con función de bloqueo de reposición manual.

Criterios generales y ajustes de los elementos.

1. Siempre se proveerá un mecanismo de inicio de la transferencia por baja tensión en la entrada.

Esto se debe a que si la tensión disminuye a niveles por debajo del 80% del valor nominal [1], los

motores y las cargas en general se ven afectadas directamente en su funcionamiento. Pueden

usarse una o más de las otras condiciones de iniciación de la transferencia, según se especifique.

2. La transferencia automática se bloqueará cuando alguno de los tres interruptores esté en la

posición de “prueba” o extraído, a fin de prevenir los siguientes eventos [1]:

a. Una transferencia incompleta, como podría ocurrir si el interruptor de enlace estuviese en las

posiciones de “prueba” o extraído.

b. Una operación inútil de transferencia de una barra a otra, cuyo interruptor de entrada esté en

posición de “prueba” o extraído.

c. Una transferencia peligrosa que podría energizar una barra que haya sido expresamente

desenergizada y cuyo interruptor de entrada esté en posición de “prueba” o extraído.

d. Operación automática de un interruptor que esté en posición de “prueba”, lo cual podría poner

en peligro al personal de mantenimiento.

50

3. La transferencia automática se bloqueará cuando cualquiera de los interruptores de entrada

(52-1 ó 52-2) esté abierto, a fin de prevenir los siguientes eventos [1]:

a. Transferencia automática posterior al disparo por sobrecorriente del interruptor de entrada,

para evitar la conexión de un alimentador o barra en falla a la otra barra.

b. Una transferencia peligrosa que podría energizar a una barra que haya sido expresamente

desenergizada mediante la apertura de su interruptor de entrada.

c. Una operación inútil de transferencia de una barra a la otra, cuyo interruptor de entrada esté

abierto.

En caso de que los relés de baja tensión usados para iniciar la operación de transferencia, sean

alimentados desde los transformadores de potencial de la barra, en lugar de los de las entradas; se

asegurará que cuando se energice nuevamente la barra, la transferencia permanezca bloqueada

por un lapso de tiempo suficiente para permitir el reposicionamiento del relé de baja tensión [1].

4. La transferencia automática se bloqueará siempre que un interruptor de entrada conduzca la

corriente de cortocircuito. La baja tensión ocasionada por la falla podría iniciar la transferencia,

lo cual conectará la barra o alimentador en falla a la otra barra [1].

El dispositivo 50 se calibrará por encima de la contribución del motor a la falla en la entrada,

permitiendo una disminución de las componentes CA y CD. En condiciones normales, el

dispositivo 50N se calibrará por debajo de la corriente de falla a tierra, pero por encima del nivel

real de corriente del neutro; Si se utilizan 4 TC (uno exclusivo para el neutro), el relé debe estar

ajustado tomando en cuenta únicamente el nivel de la corriente del neutro [1].

5. La transferencia automática se bloqueará siempre que existan dispositivos en el lado de

alimentación de un interruptor de entrada, que eliminen corrientes causadas por fallas ocurridas

en el lado de carga de ese interruptor. A fin de prevenir la transferencia, ésta se bloqueará hasta

que se haya reestablecido un 90% o más del nivel de tensión, luego de terminado el flujo de

corriente de falla a través del interruptor de entrada [1].

6. La transferencia automática se bloqueará cuando la tensión de alimentación en la otra entrada y

al momento de la transferencia, no sea igual o mayor al 90% del nivel normal de tensión. Las

perturbaciones del sistema pueden causar caídas de tensión en ambas entradas. Dado que el nivel

de tensión puede ser restituido a una entrada antes que en la otra, después de una caída

simultánea de tensión, la transferencia se bloqueará por 3 segundos a fin de esperar por la

51

restitución de la tensión en la otra entrada. Este hecho evita transferencias innecesarias, cuando la

restitución de la tensión en ambas entradas ocurre dentro de 3 segundos [1].

7. El interruptor de enlace no se cerrará hasta tanto la tensión residual en la barra 1, no haya caído

por debajo del valor especificado, usualmente de 25%, o 40% si todos los motores están previstos

para arranque Estrella–Delta [1].

8. La secuencia mostrada corresponde a una transferencia de alimentación de la barra 1 a la barra

2. Para hacer una transferencia de la barra 2 a la barra 1, reemplazar los subíndices 1 por 2 y 2

por 1 en el procedimiento referido [1].

9. El ajuste de los elementos de protección por sobrecorriente debe obedecer a la coordinación de

protecciones con los elementos aguas abajo y aguas arriba del sistema, proporcionando la mayor

sensibilidad, selectividad y rapidez posible dentro de su zona de protección. Luego de hacer el

estudio para obtener los niveles de corrientes tanto de falla como normales específicas del

sistema, se debe proceder al ajuste de los relés para actuar ante dichos valores.

10. En el caso de los relés de baja tensión, cuando la tensión sensada sea menor al 80% de la

tensión nominal, éste debe actuar y comenzar la secuencia de transferencia [1].

El ajuste específico de los elementos que conforman el sistema de control y protección asociado

al esquema con secundario selectivo y transferencia automática ni los estudios o cálculos

necesarios para la obtención de los mismos fueron parte de éste proyecto de pasantía, por lo cual,

para la realización de dichos ajustes, primero se debe proceder al estudio de cortocircuito y

revisión de los valores de corrientes y tensiones nominales del sistema, para de esta manera poder

realizar una coordinación de protecciones y establecer los límites y parámetros para el control y

la ejecución segura y correcta de la transferencia automática.

Secuencia de operación de transferencia automática [1].

La secuencia de operación del sistema de control es definida en función a la seguridad de las

instalaciones y del personal de operación de las mismas, así como para evitar la interrupción del

servicio durante la maniobra.

52

De igual manera, la secuencia de pasos de la operación de transferencia está definida para evitar

eventos como cierre de interruptores sin alimentación o antes de que las posibles fallas en el

sistema se hayan despejado.

En la figura 3.2.2 se presenta el diagrama de bloques para la secuencia de transferencia

automática en esquemas de secundario selectivo.

53

Figura 3.2.2 Diagrama de bloques de la secuencia de transferencia automática en esquemas de

secundario selectivo [1].

54

Figura 3.2.3 Diagrama de bloques de la secuencia de operación manual para subestaciones

conectadas a fuentes sincronizadas o que pueden ser sincronizadas durante la operación [1].

El diagrama de bloques mostrado en la figura 3.2.3 corresponde al implementado en la estación

de rebombeo, ya que la alimentación de cada transformador corresponde a un circuito distinto,

pero ambas líneas aéreas provienen de la misma subestación (Cadafe S/E – Chivacoa). En la

figura 3.2.4 se presenta el diagrama de bloques de la secuencia de operación manual para fuentes

no sincronizadas.

55

Figura 3.2.4 Diagrama de bloques de la secuencia de operación manual para subestaciones

conectadas a fuentes no sincronizadas [1].

El esquema unifilar del secundario selectivo se puede apreciar en la figura 2.2.1 y su

implementación aplicada al proyecto en particular se encuentra en el apéndice D.


diagramas unifilares de la escuela técnica y fábrica de cilindros de alta presión.

Como primer paso, y conformando parte del estudio interdisciplinario indispensable para llevar

a cabo el proyecto, se debe revisar de la lista preliminar de equipos de la disciplina mecánica para

obtener información sobre las magnitudes de potencia y tensión requeridas por los mismos. De

esta manera, se plantean los niveles de tensión a utilizar en el esquema de alimentación. En el

proyecto de Escuela Técnica, los únicos motores a considerar son los asociados a equipos de aire

acondicionado, sistema hidroneumático y sistema de aire comprimido, ya que la instalación no

56

posee líneas de producción de ningún tipo, es simplemente una instalación administrativa y de

capacitación. En un primer acercamiento se plantean dos niveles de tensión para la alimentación

de la instalación; 480 Vca para la alimentación de diferentes transformadores de distribución 480

- 208/120 Vca para la alimentación de tableros dedicados a sistemas de iluminación,

tomacorrientes, servicios de comedor y taller de capacitación de personal y 208/120 Vca para la

alimentación de los motores antes mencionados.

Por el contrario, el proyecto de la Fábrica de Cilindros de Alta Presión posee dos líneas de

producción. Al revisar la lista preliminar de equipos de la disciplina mecánica, se puede constatar

la necesidad de un nivel de tensión de 480 Vca por requerimientos específicos de equipos

mayores, para lo cual se plantean de nuevo dos niveles de tensión, 480 Vca para los equipos

asociados a la línea de producción de la fábrica y 208/120 Vca para los sistemas de iluminación y

tomacorrientes.

Una vez establecidos los niveles de tensión requeridos por el proyecto, se procede a definir el

esquema de alimentación eléctrica. En el caso de Escuela Técnica, por ser un edificio

administrativo, se define para jornadas de trabajo de 8 horas al día, los 5 días hábiles de la

semana. Como consecuencia de ésta filosofía de operación, se propone una alimentación con

esquema radial simple, siendo éste el más económico y simple de los esquemas. El

mantenimiento de los equipos puede realizarse en horas de la noche o durante los fines de

semana, debido a que la instalación no requiere un nivel alto de confiabilidad.

Para la Fábrica de Cilindros de Alta Presión se plantea una jornada de trabajo continua de lunes

a domingo. Bajo esta premisa, se considera la construcción de una subestación (S/E) eléctrica

radial doble. Esta topología permite realizar mantenimiento sobre parte del sistema eléctrico sin

la necesidad de parar una de las líneas de producción de la planta, de esta manera, se disminuye

la producción durante el período de mantenimiento, pero no se paraliza la fábrica. Es un esquema

más económico que el secundario selectivo y, dadas las condiciones de producción de la planta,

no existe la necesidad de mantener la producción total de la fábrica de manera continua.

Una vez definida la topología de la red de alimentación de cada proyecto, se procede al análisis

preliminar de cargas del mismo. Para la realización del mismo, se toman en cuenta todas las

cargas asociadas a las líneas de producción y a servicios industriales de las instalaciones.

57

Además, se estima la carga de iluminación y tomacorrientes. Las cargas de iluminación se

diseñan mediante la implementación del software DIALux 2.6 [15], el cual realiza los cálculos de

niveles de iluminación en áreas interiores y exteriores, según el tipo de luminaria asignada. El

usuario puede configurar las características de las luminarias a utilizar y asignar el nivel de

iluminancia promedio requerido, según el tipo de actividades realizadas en el espacio en cuestión,

establecido en las normas [6]. Para la estimación de las cargas de tomacorrientes se utiliza lo

establecido en el Código Eléctrico Nacional [7], donde se tiene que cada tomacorriente doble

estándar debe ir asociado a una carga de 180 VA.

La demanda de 8 horas considera la suma de las cargas de operación continua e intermitente.

La demanda de 15 minutos considera la suma de las cargas de operación continua, intermitentes y

las reservas.

Para la estimación de las cargas de los motores se asume un factor de potencia y una eficiencia

de 0,85 de manera conservadora. Las cargas clasificadas como intermitentes son multiplicadas

por un factor de operación, donde se tiene que TOR es el Tiempo de Operación Real en horas en

que los equipos asociados a la carga en cuestión están en uso. El FOP es el Factor de Operación

por el cual se multiplica la carga conectada para obtener la carga estimada real intermitente y se

determina mediante:

Turno

TORFOP = 3.3.1

Donde el turno es el número de horas de operación continua de la instalación. El resto de las

cargas se toman como cargas conectadas de operación continua. Además, se considera una carga

de reserva del 20% de la demanda de 8 horas. Las tablas de análisis de cargas de cada proyecto se

encuentran en el apéndice E.

Finalmente, para el dimensionamiento de los transformadores, se utiliza el valor de la demanda

de 8 horas para la condición ONAN del transformador, y se calcula la correspondiente carga

máxima en condición ONAF, según la normativa de PDVSA [1], seleccionando el nivel

inmediato superior de los valores comerciales. Los transformadores principales utilizados en

ambos proyectos se proponen del tipo sumergible en aceite con tanque sellado para instalación en

58

exteriores, ya que existe un flujo de personas en las cercanías de los patios de transformación.

Los transformadores dedicados para tableros de sistemas en particular, serán del tipo seco

encapsulado, para instalación en interiores.

Para el dimensionamiento de las barras de celdas y equipos de distribución, se procede al

cálculo de la corriente nominal que debe soportar la misma y el análisis de cortocircuito en esa

barra. La corriente nominal se determina con la ecuación:

ll

F

V

SI

×=

33 3.3.2

Donde S3F es la potencia aparente trifásica en kVA, Vll es la tensión línea-línea en kV e I es la

corriente de línea en A, y se selecciona el nivel comercial disponible inmediato superior. De igual

manera se debe proceder para el nivel de cortocircuito, donde se utiliza el criterio de barra

infinita, aplicando la tensión de línea en por unidad dividida entre la impedancia del

transformador en por unidad en conjunto con la contribución de los motores de la instalación al

mismo, y multiplicando éste resultado por la corriente nominal, y se selecciona el nivel comercial

inmediato superior.

N

t

cc IZ

I ×=1

3.3.3

Para el dimensionamiento de los interruptores se utiliza:

llVfp

PI

×××

×=

3

746,0

µ 3.3.4

Donde µ es la eficiencia del motor, fp es el factor de potencia del mismo, P es la potencia activa

en HP y Vll es la tensión línea-línea en kV. Se aplica un factor de 1,2 para proporcionar un

margen del 20% de sobrecarga, obteniendo de esta manera la magnitud de corriente umbral del

interruptor. Luego se procede al dimensionamiento de los contactores según el nivel de corriente

nominal que demanda el motor a proteger aguas abajo, clasificación proporcionada en los

catálogos de los fabricantes [8]. Para la selección de los relés de sobrecarga se procede de manera

similar que con los interruptores; se obtiene el valor de corriente nominal que debe soportar el

59

equipo, y con un criterio del 20% se define el valor de corriente umbral del relé. Los intervalos de

operación de corriente para cada tipo de relé vienen dados según los datos del fabricante [8].

Para el dimensionamiento de cables se deben utilizar dos criterios fundamentales, el de

ampacidad y el de caída de tensión. De ser necesario un refinamiento del cálculo se puede aplicar

el criterio de nivel de cortocircuito y el de temperatura del cable. El dimensionamiento de los

cables que conforman los diagramas unifilares preliminares como tal no fue parte de éste

proyecto de pasantía, ya que el proyecto consistió en definir la ingeniería conceptual para un

primer acercamiento al diseño de las instalaciones de PDVSA Gas Natural, por lo que el

dimensionamiento y la codificación de los cables de media y baja tensión no se encontraban

contratados para el momento de la realización de éste proyecto de pasantía. En las figuras 3.3.1 y

3.3.2 se presentan los diagramas unifilares de las dos instalaciones del parque industrial que

fueron parte de éste proyecto de pasantía.

Figura 3.3.1 Diagrama unifilar de la escuela técnica.

60

Figura 3.3.2 Diagrama unifilar de la fábrica de cilindros de alta presión.

Tras realizar éste primer diseño de la topología de la red en conjunto con el análisis preliminar

de cargas y el dimensionamiento de transformadores y de barras, se procede a la etapa de

ingeniería básica del proyecto, en la cual se deben terminar de consolidar los elementos

pertenecientes al esquema unifilar como el dimensionamiento de cables, codificación de

elementos y equipos y esquemas de control, todo esto atado a la aprobación del cliente, para

posteriormente pulir los detalles de implementación, conexión e instalación de equipos en la

etapa de ingeniería de detalle.

CAPÍTULO 4

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Después de realizar todos los cálculos y análisis necesarios a través del desarrollo e

implementación de la metodología definida para cada proyecto en particular, se procede al

análisis y validación de los mismos, mediante las normativas correspondientes a cada

particularidad y los requerimientos del cliente.

4.1 Instalación de infraestructura para el manejo de crudo parafinoso en el campo san

Joaquín – Guario – El Roble.

Las estructuras planteadas en el diseño de la línea soportan las solicitudes transversales,

longitudinales y verticales para todas las condiciones ambientales posibles del lugar. Debido a

practicidad para la instalación de equipos de protección y maniobras, las estructuras portadores

de los reconectadores fueron concebidas con una disposición diferente pero con igual

arriostramiento que las demás.

El diseño de la línea de distribución en 13,8 kV fue aceptado en su primera revisión por parte

del cliente, lo cual indica conformidad total con la propuesta realizada. Se pone en evidencia la

ventajosa implementación de estructuras arriostradas, debido a la facilidad de instalación de

crucetas, mayor espacio de trabajo y trepado, y mucha más robustez estructural para soportar las

cargas mecánicas.

Mediante la aplicación de ambas metodologías, tanto la comparación de momentos como la

comparación de fuerzas por descomposición en ejes cartesianos, se corrobora que todas las

estructuras utilizadas para el apoyo de la línea de distribución soportan las cargas

correspondientes.

62

Al analizar el caso del vano crítico, el mismo cumple con las distancias verticales mínimas de

seguridad establecidas, con lo cual el resto de los vanos cumplen de igual manera, ya que en los

mismos de obtiene una flecha máxima menor y por lo tanto una distancia desde el punto más bajo

del conductor al suelo menor.

Se observa ciertas diferencias entre las cargas verticales para las estructuras en suspensión y las

de amarre, debido a los diferentes tipos de herrajes utilizados en cada una.

El cálculo de la posición del conductor de guarda genera un ángulo de apantallamiento que

cumple con la normativa y a la vez con la altura de los postes, es decir, que no se requiere la

implementación de un poste más alto para generar un apantallamiento efectivo de la línea.

Para el diseño mecánico de una línea de distribución eléctrica se deben evaluar todas las

hipótesis de carga posibles y determinar la condición crítica, de otra manera se pudiese incurrir

en un error de diseño.

Mediante el análisis estructural utilizando los puntos de aplicación de fuerzas más

conservadores y las situaciones críticas extremas posibles, se puede verificar que el diseño de una

estructura soportará las cargas generadas a la misma sin la necesidad de la aplicación de factores

de seguridad al momento de realizar los cálculos.


Barquisimeto.

La implementación de un esquema de alimentación eléctrica con secundario selectivo y

transferencia automática asegura la operación continua de la infraestructura a la cual es aplicado

sin dejar de lado el mantenimiento de los equipos. Por otra parte, proporciona un alto nivel de

confiabilidad a la misma, ya que las probabilidades de que la planta quede fuera de servicio son

muy pequeñas.

La filosofía de control de la transferencia automática toma en consideración todos los riesgos

posibles, tanto para los operadores del sistema como para las instalaciones propiamente dichas.

63

Se posee un sistema altamente protegido y en coordinación con un sistema de enlace seguro de

barras, con capacidad de maniobra automática ante cualquier emergencia y manual para el

mantenimiento o seccionamiento previsto por los operadores.

La coordinación de todas las funciones de los relés utilizados en el esquema debe ser llevada a

cabo muy cuidadosamente, ya que cualquier error puede conllevar a situaciones de riesgo o a

transferencias innecesarias. Es muy importante tomar en cuenta si las fuentes están sincronizadas

o no y evitar el trabajo en paralelo de ambas fuentes, para ello es indispensable el relé de

verificación de sincronismo (25).

Para la correcta secuencia de transferencia manual, debe estar bien señalizado el sistema en al

tablero de transferencia, el mímico debe representar de manera clara todos los interruptores, sus

posiciones actuales, y las mediciones de tensión y corrientes de todo el esquema.

4.3 Parque Industrial Gas Natural Vehicular.

El análisis preliminar de cargas eléctricas es un estudio multidisciplinario, debe consolidarse la

información acerca de los equipos asociados a los procesos de la instalación, así como las áreas

contempladas dentro de la misma, para poder visualizar los requerimientos eléctricos del sistema

y poder realizar un diseño apto para el mismo.

No siempre el esquema de secundario selectivo es el más adecuado para la topología de la red

de distribución de una instalación, en el caso de la Fábrica de Cilindros de Alta Presión se obtiene

un nivel de confiabilidad aceptable sin incurrir en los altos gastos que genera la implementación

de un secundario selectivo, ya éste esquema implica redundancia de transformadores de grandes

dimensiones.

Para el diseño de un diagrama unifilar se deben contemplar diversos estudios, como niveles de

cortocircuito, análisis de cargas, estudio o revisión de motores seleccionados, criterios de

ampacidad y caída de tensión, entre otros. Por otra parte se debe tener en cuenta el propósito y la

filosofía de operación de la infraestructura en estudio.

64

El dimensionamiento de transformadores se realiza tomando la demanda de 8 horas en

condición de ventilación por convección natural de aire, de esta manera se utiliza la propiedad de

ventilación forzada del transformador para cubrir los picos de carga y las reservas estimadas para

un posible crecimiento en la carga.

En el caso de Fábrica de Cilindros de Alta Presión, la canalización desde el secundario hasta los

CCM se propone en ductos de barras en vez de cables, esto se debe a los elevados niveles de

corriente a manejar. Dicha comparación no fue realizada dentro de éste trabajo de pasantía, pero

fue sugerida por otro ingeniero de la disciplina de electricidad.

El diseño y especificación de los equipos de protección depende directamente del requerimiento

de potencia que precise el motor y el nivel de tensión.

En una segunda revisión del diagrama unifilar del Escuela Técnica se plantea la eliminación del

nivel de tensión en 480 Vca y colocar la totalidad de las cargas conectadas a un tablero de

distribución autosoportado en 208/120 Vca, solución que disminuiría los costos y la cantidad de

transformadores a implementar. Dicho cambio no se ve reflejado en los planos, ya que para el

momento de culminación de la pasantía, dichos cambios no se habían asentado mediante cálculos

o estudios de ningún tipo, solo se planteaba como una posibilidad a estudiar.

El dimensionamiento de los guarda-motores contempla el estudio de las corrientes nominales

del sistema y depende de la potencia asociada a cada motor. Se aplica un criterio del 20% de

corriente de sobrecarga para el umbral del relé de sobrecarga asociado a cada motor.

65

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

• El diseño de sistemas eléctricos en general requiere de un compromiso balanceado entre

normativas, criterios de diseño y códigos de seguridad, es decir, criterios innovadores,

seguros y confiables que converjan en una disminución de costos y el cumplimiento de las

normativas y códigos de seguridad estricto, sin necesidad de incurrir en el

sobredimensionamiento que se puede generar por el uso de las normas como manual de

diseño.

• El buen diseño de un proyecto contiene evaluaciones multidisciplinarias y coordinación

entre todos los procesos y sistemas a implementar.

• Los catálogos de accesorios y equipos de los fabricantes son una herramienta fundamental

para el diseño eléctrico y para poder concretar la visualización y los cálculos teóricos.

• Al momento de realizar la ingeniería de detalle de un proyecto, es indispensable poseer

toda la información concerniente a la etapa de ingeniería básica y conceptual del mismo,

ya que de lo contrario no se le puede dar continuidad lógica y en el mismo orden de ideas

al proyecto, lo cual puede conllevar a errores de diseño o filosofías de operación no

compatibles.

• No siempre es necesaria la utilización de la tensión más alta arrojada de la manipulación

de la ecuación de estados a través de las distintas hipótesis de carga para el análisis

estructural de una línea de transmisión, sub-transmisión o distribución, ya que se puede

implementar un valor más bajo de tensión (en condición de localización por ejemplo),

refinando el estudio y analizando las situaciones correspondientes a la realidad de la

localidad donde se va a construir la línea, sin necesidad de realizar estudios en situaciones

extremas, donde se someta la estructura a cargas muy grandes pero con muy baja

probabilidad de ocurrencia.

• Los análisis estructurales son realizados tomando en cuenta los puntos críticos,

mecánicamente hablando, del sistema, de esta manera se ahorra tiempo y casos de

estudio. Sin embargo, cuando aparece un caso de interés definido para el análisis, éste se

debe incluir en el análisis para contemplar sus resultados en el diseño final.

66

• El análisis estructural de los apoyos conformados por tres postes tubulares por

comparación de momentos presenta bastante dificultad debido a la geometría de la

estructura, por lo cual se procede a realizar el análisis mediante la descomposición de las

fuerzas ejercidas sobre la estructura en ejes cartesianos, lo cual permite un método de

análisis y comparación con las solicitudes de la estructura mucho más sencillo e

igualmente válido..

• Es indispensable conocer el tipo de procesos a realizar en las instalaciones involucradas

en el proyecto, para de esta manera poder diseñar la topología de la red, la coordinación

de protecciones y el esquema de control más adecuados para las necesidades de las

mismas.

• Algunas instalaciones requieren de un alto nivel de confiabilidad y de suministro eléctrico

constante y sin interrupciones, por lo tanto, es conveniente implementar esquemas de

control que satisfagan dichas necesidades y a la vez proporcionen un alto nivel de

seguridad para las instalaciones y su personal.

• La secuencia lógica de pasos de un esquema de control se define analizando y estudiando

rigurosamente las posibles fallas, interrupciones o anomalías que pudieran presentarse en

un momento determinado en el sistema. De esta manera, se debe implementar una

secuencia de pasos que garantice la seguridad y operatividad del sistema en todo

momento.

• Es indispensable realizar los cálculos asociados a la selección de equipos para determinar

los valores estimados de corriente, tensión y potencia a los cuales serán sometidos, y de

allí proceder a seleccionar los valores comerciales que mejor le correspondan. De esta

manera se validan los diseños propuestos y se presenta una ingeniería de calidad.

• Para el diseño de un diagrama unifilar es indispensable realizar el estudio de cortocircuito

en diferentes puntos importantes de la red y para ello debe estar bien definida la topología

de la misma.

• Al momento de realizar un diagrama unifilar, se deben especificar todos los componentes

asociados al mismo, como elementos de protección, de conexión y desconexión,

alimentadores, tableros, transformadores, celdas de media y baja tensión, etc. de manera

clara y concreta.

• Con el correcto aprovechamiento de la capacidad de ventilación forzada del

transformador se pueden reducir los costos asociados al mismo.

67

Recomendaciones

• Es necesario disponer de procedimientos y metodologías de diseño que permitan su

aplicación inmediata a este tipo de proyectos, facilitando la labor del ingeniero proyectista

y disminuyendo los tiempos de ejecución de la ingeniería en sus distintas fases o etapas.

• El diseño de iluminación se debe realizar con métodos como el punto a punto o de

cavidad zonal y no se debe utilizar el Código Eléctrico Nacional como guía de diseño, de

ser así, se incurre en sobredimensionamiento de equipos en algunos casos. Sin embargo,

se debe garantizar el apego del diseño en cuestión al Código eléctrico Nacional y

validarlo utilizando las normas de seguridad nacionales e internacionales.

68

REFERENCIAS

[1] “Obras Eléctricas”

Código N-201, Manual de ingeniería de diseño PDVSA, 2004

[2] “Normas de diseño para líneas de alimentación y redes de distribución. Cargas

mecánicas”

Código 55-87, Cadafe, 1987

[3] “Líneas de transporte de energía”

Luís María Checa, Marcombo, S.A./Boixareu Editores, 1979

[4] “Normas de diseño para líneas de alimentación y redes de distribución. Distancias y

separaciones mínimas”

Código 58-87, Cadafe, 1987

[5] “Strength of Materials”

Ferdinand L. Singer, Harper &Row, publishers, segunda edición, 1962

[6] “Iluminancias en tareas y áreas de trabajo”

Código 2249-93, Covenin, 1993

[7] “Código Eléctrico Nacional”

Fondonorma 200:2004

[8] “Nema contactors and starters”

Catálogo de contactores y arrancadores, Eaton, 2007

[9] Apuntes del curso de líneas de transmisión

Luís Zambrano, Universidad Simón Bolívar, 2008

[10] Guía del curso de sistemas de distribución

Gustavo Angulo, Universidad Simón Bolívar, 2008

69

[11] Catálogo de productos Saien (1991)

[12] Catálogo de productos Industrias Ferrogalván (2001)

[13] “IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems

Analysis”

Código 399-1997, IEEE, 1997

[14] “IEEE Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations”

Código 998-1996, IEEE, 1996

[15] “DIALux, Versión 4.6.0.2”

http://www.dialux.com/, Noviembre 2008

[16] Google Earth

Marzo, 2009

70

APÉNDICE A. TABLA DE TENSADO

Tabla A.1 Flecha máxima de cada vano perteneciente a la línea aérea.

Vano Vano Real (m) Flecha Máxima (m) 1 2 22 0,0430 2 3 40 0,1390 3 4 36 0,1126 4 5 100 0,7655 5 6 100 0,7655 6 7 100 0,7655 7 8 55 0,2546 8 9 55 0,2546 9 10 70 0,3997 10 11 70 0,3751 11 12 100 0,7655 12 13 100 0,7655 13 14 100 0,7655 14 15 100 0,7655 15 16 92 0,6479 16 17 100 0,7723 17 18 100 0,7723 18 19 100 0,7723 19 20 50 0,1931 20 21 100 0,7723 21 22 100 0,7723 22 23 80 0,5111 23 24 80 0,5111 24 25 80 0,5111 25 26 80 0,5111 26 27 80 0,5111 27 28 80 0,5111 28 29 80 0,5111 29 30 53 0,2374 30 31 60 0,3026 31 32 50 0,2101

71

Tabla A.2 Clasificación de estructuras y cálculo de vanos gravantes.

Apoyo Clasificación Tipo Progresiva (m) Ángulo (º) Vano Gravante (m) 1 Terminal Amarre 0 - 11,0 2 Ángulo (90º) Amarre 22 90 31,0 3 Ángulo (<5º) Suspensión 62 5 38,0 4 Ángulo (90º) Amarre 98 90 68,0 5 Alineación Suspensión 198 - 100,0 6 Ángulo (<5º) Suspensión 298 3 100,0 7 Ángulo (5º a 60º) Amarre 398 8 77,5 8 Alineación Suspensión 453 - 55,0 9 Ángulo (90º) Amarre 508 90 62,5 10 Ángulo (5º a 60º) Amarre 578 8 70,0 11 Ángulo (<5º) Suspensión 648 2 85,0 12 Alineación Suspensión 748 - 100,0 13 Ángulo (<5º) Suspensión 848 3 100,0 14 Ángulo (<5º) Suspensión 948 2 100,0 15 Ángulo (<5º) Suspensión 1048 1 96,0 16 Ángulo (90º) Amarre 1140 90 96,0 17 Alineación Suspensión 1240 - 100,0 18 Alineación Suspensión 1340 - 100,0 19 Alineación Suspensión 1440 - 75,0 20 Ángulo (<5º) Suspensión 1490 3 75,0 21 Ángulo (5º a 60º) Amarre 1590 8 100,0 22 Ángulo (5º a 60º) Amarre 1690 19 90,0 23 Ángulo (5º a 60º) Amarre 1770 9 80,0 24 Ángulo (5º a 60º) Amarre 1850 21 80,0 25 Ángulo (5º a 60º) Amarre 1930 16 80,0 26 Ángulo (5º a 60º) Amarre 2010 14 80,0 27 Alineación Suspensión 2090 - 80,0 28 Alineación Suspensión 2170 - 80,0 29 Ángulo (90º) Amarre 2250 90 66,5 30 Ángulo (5º a 60º) Amarre 2303 56 56,5 31 Alineación Suspensión 2363 - 55,0 32 Terminal Amarre 2413 - 25,0

72

Tabla A.3 Cálculo de vanos ficticios y tensiones por cada tramo de la línea.

Tramo Apoyos Vano Ficticio (m) Tensión (Kg.) 1 1 2 22,00 482,185 2 2 4 38,16 493,520 3 4 7 100,00 560,073 4 7 9 55,00 509,407 5 9 10 70,00 525,583 6 10 16 95,46 560,073 7 16 21 95,74 555,156 8 21 22 100,00 555,156 9 22 23 80,00 536,929 10 23 24 80,00 536,929 11 24 25 80,00 536,929 12 25 26 80,00 536,929 13 26 29 80,00 536,929 14 29 30 53,00 507,357 15 30 32 55,68 510,158

73

Tabla A.4 Tabla de tensado. Temperatura (ºC)

Vano Vano (m) 15 20 25 30 35 40 45 Tensión (Kg) 980,784 888,710 796,887 704,313 612,990 525,420 432,846

1 2 22 Flecha (m) 0,021 0,023 0,026 0,029 0,034 0,039 0,048 Tensión (Kg) 980,784 889,461 798,764 708,692 619,745 532,926 449,109















16 17 100 Flecha (m) 0,437 0,479 0,527 0,584 0,650 0,728 0,816

74

Temperatura (ºC) Vano Vano (m) 15 20 25 30 35 40 45

Tensión (Kg) 980,784 895,716 813,150 734,337 659,277 589,221 525,420 17 18 100 Flecha (m) 0,437 0,479 0,527 0,584 0,650 0,728 0,816















85

APÉNDICE E. TABLAS DE ANÁLISIS PRELIMINARES DE CARGAS

Tabla E.1 Estudio preliminar de cargas para la escuela técnica.

Carga Conectada y Demanda Eléctrica

OPERACIÓN INTERMITENTE IDENTIFICACIÓN

Cantidad de

Equipos

Potencia Individual

(W)

Carga Total

Conectada (kW)

Carga Total

Conectada (kVA)

CONTINUA (kVA) TOR FOP kVA

RESERVA (kVA)

Aire acondicionado 1 73108 73,108 101,19 101,19

Sistema hidroneumático 1 746 0,746 1,03 4,0 0,50 0,52

Sistema de aire comprimido para taller 1 11190 11,19 15,49 15,49

Taller de capacitación 1 10838 10,838 15,00 15,00

Iluminación 1 25288 25,288 35,00 35,00

Tomacorrientes 1 7225 7,225 10,00 10,00

Neveras 3 400 1,2 1,66 1,66

Congeladores 3 900 2,7 3,74 3,74

Licuadoras 2 1500 3 4,15 3,0 0,40 1,66

Extractores 4 500 2 2,77 2,77

Reservas 37,4

TOTAL CARGA CONECTADA: 137 190 Total Demanda de Operación Continua (kVA): 185 2 37

DEMANDA MÁXIMA 8 HORAS (kVA): 187 DEMANDA DE 15 MINUTOS (kVA): 224

86

Tabla E.2 Estudio preliminar de cargas para la fábrica de cilindros de alta presión.

Carga Conectada y Demanda Eléctrica OPERACIÓN

INTERMITENTE IDENTIFICACIÓN Cantidad

de Equipos

Potencia Individual

(W)

Carga Total

Conectada (kW)

Carga Total

Conectada (kVA)


RESERVA (kVA)

Cortadora de tubos oxy-fuel o plasma 3 1865 5,595 17,74 17,74

Hornos de inducción 6 119213 715,278 990,00 990,00

Máquina conformadora de fondo (spinforming

machine) 3 200150 600,45 831,07 831,07

Máquina rectificadora de fondo (lapping machine) 3 14920 44,76 61,95 61,95

Máquina conformadora de cuello (spinforming

machine) 3 200150 600,45 831,07 831,07

Horno continuo para tratamiento térmico (módulos de

austenizado, temple y revenido) 2 14920 29,84 41,30 41,30

Equipo de ultrasonido 2 3730 7,46 10,33 10,33

Centros de perforado y roscado de cuellos de cilindros 4 4476 17,904 24,78 24,78

Equipo de prueba hidráulica con balanzas de 4

estaciones c/u 2 8952 17,904 24,78 24,78

Granalladora interna de cilindros 2 5595 11,19 15,49 15,49

Granalladora externa de cilindros de 2 a 3 turbinas 2 7460 14,92 20,65 20,65

Máquina para grabado automático de cilindros 2 7460 14,92 20,65 20,65

Cabina continua de pintado externo 2 52220 104,44 144,55 144,55

Sistema hidroneumático 1 746 0,746 1,03 1,03

Sistema de aire comprimido 2 11190 22,38 30,98 30,98

Torno paralelo convencional 1 2238 2,238 3,10 3,10

Frezadora convencional 1 3730 3,73 5,16 5,16

Limadora 1 187 0,187 0,26 0,26

Sierra mecánica circular 1 2238 2,238 3,10 3,10

Sistema contra incendios (bomba principal) 1 55950 55,95 77,44 77,44

Sistema contra incendios (bomba Jockey) 1 3730 3,73 5,16 5,16

Puente grúa 1 3730 3,73 5,16 5,16

Banda transportadora 40 373 14,92 20,65 20,65

Aire acondicionado 1 41030 41,03 56,79 56,79

87

Carga Conectada y Demanda Eléctrica OPERACIÓN

INTERMITENTE IDENTIFICACIÓN Cantidad

de Equipos

Potencia Individual

(W)

Carga Total

Conectada (kW)

Carga Total

Conectada (kVA)


RESERVA (kVA)

Ventiladores 6 2600 15,6 21,59 21,59

Iluminación y tomacorrientes 1 50575 50,575 70,00 70,00

Neveras 3 400 1,2 1,66 1,66

Congeladores 3 900 2,7 3,74 3,74

Mezcladores 2 1000 2 2,77 2,77

Licuadoras 2 1500 3 4,15 3,0 0,40 1,66

Extractores 3 500 1,5 2,08 2,08

Reservas 669,0

TOTAL CARGA CONECTADA: 2413 3349 Total Demanda de Operación Continua (kVA): 3345 2 669

DEMANDA MÁXIMA 8 HORAS (kVA): 3347 DEMANDA DE 15 MINUTOS (kVA): 4016

desarrollo de distintas etapas de ingenierÍa …159.90.80.55/tesis/000145228.pdf · de diferentes...

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