diseÑo y especificaciones tecnicas para la instalacion de …

Resumen Ejecutivo

a) Identificación del proyecto

- Título del proyecto de grado: DISEÑO Y ESPECIFICACIONES TECNICAS PARA LA INSTALACION DE UNA ESTACION DE CARGA RAPIDA PARA VEHICULOS ELECTRICOS.

- Desarrollado por: Oscar Adolfo Varela Fox.

- Asesor: Gustavo Ramos López, Ph. D. b) Objetivos del proyecto de grado El objetivo general de este proyecto de grado es el diseño de una estación de carga rápida para vehículos eléctricos. Esto se refiere al dimensionamiento de las componentes eléctricas y conexión de los elementos con el fin de crear una estación funcional para los autos eléctricos que circulan en la ciudad. Con el fin de obtener el resultado descrito en el objetivo general, el proyecto se dividió el proyecto en 4 objetivos específicos. La primera parte del trabajo se basa en el diseño conceptual de la estación, donde se fijan el número de estaciones que se van a diseñar y los elementos que son necesarios para la construcción de este. El segundo objetivo específico se refiere al el diseño básico de la estación, en esta parte del proyecto nos disponemos a definir las características eléctricas de cada uno de los elementos utilizados para la estación de carga. Además se debe fijar la interconexión de esta con la red de distribución local. Por ultimo comprobar el funcionamiento de la conexión por medio de simulaciones. Elaborar el diseño detallado de la estación de carga rápida. En donde se hace el diseño de los planos de la estación de carga y se tiene la referencia específica de los elementos escogidos para el montaje del sistema. Por último se tiene como objetivo el comprar el montaje la estación diseñada con las actualmente instaladas en la ciudad. c) Desarrollo. El propósito de este trabajo es el diseño de una estación de carga para vehículos eléctricos que constara de 10 puestos de cargas con una potencia máxima de 400Kw. Estos puestos de carga son conectados a la red de Codensa por medio de un transformador reductor. Por otro lado se tiene un generador que se conecta la red por medio de un switch automático que actúa en caso de que la red principal presente fallas, haciendo la transferencia hacía el generador una vez este alcance un estado estable. Este dispositivo de trasferencia se conecta al tablero principal de donde salen las acometidas y cableado para los dispositivos de carga. En la figura A se muestra el esquema de conexión de los equipos.

DISEÑO Y ESPECIFICACIONES TECNICAS PARA LA INSTALACION DE UNA ESTACION DE CARGA RAPIDA PARA VEHICULOS ELECTRICOS. 2

Figura A. esquema conceptual de conexión de la estación.

Una vez se definieron los equipos que se van a implementar en la estación de carga, se realizaron dimensionamientos de los mismos, siguiendo las especificaciones encontradas en la normativa aplicable a la instalación propuesta. Luego que se tiene dicha especificación procedimos a realizar diferentes simulaciones, por medio del programa ETAP, la cual tiene como fin, comprobar que los elementos utilizados están bien dimensionados y correctamente elegidos.

D) Resultados

Las diferentes simulaciones, dieron como resultado el diagrama unifilar, teniendo en cuenta que los equipos que se van a utilizar para el dimensionamiento son con base que en los automóviles que actualmente circulan por la ciudad son de la marca china ByD, estos autos tiene una capacidad de carga de 100% en dos horas de carga a una potencia de 30 Kw. Los cargadores que se instalaran son trifásicos y de capacidad máxima de 40Kw de potencia. Los

cuales son conectados a la red de Codensa por medio de las líneas de 11,4Kv. Esta conexión se

realizara a través de un transformador reductor de 11,4Kv/380v, de 255Kw de potencia, este

elemento esta dimensionado por medio de las características de la demanda diversificada de la

carga. Luego se pasa a través de un sistema de transferencia automático el cual se activa en caso

de requerir activar la generación secundaria a cargo de un generador de 300kw, el sistema ATS

pasa a un tablero principal desde el cual se manejan todos los interruptores que de los cargadores

escogidos. Este esquema es mostrado en la figura B.

Red Codensa Transformador

Generador ATS

Tablero

principal

Cargador autos

eléctricos.


Figura B. diagrama unifilar de la estación de carga.

Bus(PU)

Porcentaje de carga Transformador Tablero principal Cargadores

10% 0,999 0,998 0,9967

30% 0,996 0,996 0,994

50% 0,994 0,993 0,991

70% 0,992 0,991 0,988

100% 0,988 0,987 0,984 Figura C. Flujo de carga red principal.

Bus(PU)

Porcentaje de carga Generador Tablero principal Cargadores

10% 1 0,999 0,998

30% 1 0,999 0,997

50% 1 0,999 0,997

70% 1 0,998 0,996

100% 1 0,998 0,996 Figura D. Flujo de carga generador de respaldo.

Podemos apreciar que con los elementos seleccionados y su dimensionamiento, tenemos un flujo

de carga donde la caída de voltaje en los diferentes buses relevantes del sistema es menor al 2%,

tanto en la red principal de generación, como en la generación de respaldo, lo cual deja al sistema

dentro del rango de 5% lo cual lo hace un sistema bien diseñado y convergente. Este sistema se

desarrolló cumpliendo a cabalidad todos los objetivos del proyecto.


PROYECTO FIN DE CARRERA

PRESENTADO A

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

POR EL TÍTULO DE

INGENIERO ELÉCTRICO

POR

OSCAR ADOLFO VARELA FOX

DISEÑO Y ESPECIFICACIONES TÉCNICAS PARA LA

INSTALACIÓN DE UNA ESTACIÓN DE CARGA RÁPIDA PARA

VEHÍCULOS ELÉCTRICOS.

Asesor: Gustavo Ramos López, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes


Contenido

1 RESUMEN .................................................................................................................................... 8

1.1 Resumen Ingles ................................................................................................................... 8

1.2 Resumen Español ................................................................................................................ 8

2 AGRADECIMIENTOS ..................................................................................................................... 8

3 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 9

4 OBJETIVOS ................................................................................................................................... 9

4.1 Objetivos Generales ............................................................................................................ 9

4.2 Objetivos Específicos ........................................................................................................... 9

4.3 Alcances y Productos Finales ............................................................................................ 10

5 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ................................................................................................... 10

6 MARCO TEÓRICO ....................................................................................................................... 11

7 DEFINICIÓN Y ESPECIFICACIONES DEL TRABAJO ....................................................................... 12

7.1 Definición .......................................................................................................................... 12

7.2 Especificaciones ................................................................................................................ 12

8 METODOLOGÍA (DESARROLLO) ................................................................................................. 13

9 TRABAJO REALIZADO ................................................................................................................. 15

9.1 Diseño Conceptual ............................................................................................................ 15

9.2 Diseño Básico .................................................................................................................... 16

9.2.1 Equipos de carga ....................................................................................................... 16

9.2.2 Conexión a la red de distribución .............................................................................. 16

9.2.3 Dimensionamiento Transformador. .......................................................................... 17

9.2.4 ATS ............................................................................................................................. 19

9.2.5 Generador ................................................................................................................. 20

9.2.6 Selección de conductores. ......................................................................................... 20

9.2.7 Diagrama unifilar ....................................................................................................... 22

9.2.8 Flujo de carga ............................................................................................................ 23

9.2.9 Estudio de corto circuito. .......................................................................................... 24

9.2.10 Coordinación de protecciones. ................................................................................. 24

9.2.11 Protecciones de equipos contra descargas eléctricas ............................................... 25

9.2.12 Diseño de malla a tierra.[15] ..................................................................................... 26


9.3 Diseño Detallado ............................................................................................................... 27

9.3.1 Transformador........................................................................................................... 27

9.3.2 Apantallamiento [19] ................................................................................................ 27

9.3.3 Generador ................................................................................................................. 28

9.3.4 ATS ............................................................................................................................. 28

9.3.5 Conductores [21] ....................................................................................................... 28

9.3.6 Cargadores ................................................................................................................ 28

9.3.7 Planos del sistema ..................................................................................................... 29

10 EVALUACIÓN PLAN DE TRABAJO ........................................................................................... 29

11 DISCUSIÓN Y ANÁLISIS .......................................................................................................... 30

12 CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 30

13 REFERENCIAS ......................................................................................................................... 31

14 APÉNDICES ............................................................................................................................ 33

14.1 Reporte Flujo de Carga ...................................................................................................... 33

14.2 Reporte de Corto Circuito ................................................................................................. 34

14.3 Coordinación de Protecciones .......................................................................................... 35

14.4 Modelos y Características de Cargadores ByD .................................................................. 39

14.5 Propuesta Inicial ................................................................................................................ 40

Tabla de Graficas Grafica 1. Implementación del proyecto de grado ........................................................................... 14

. Grafica 2.Esquema conceptual de la estación. ................................................................................ 15

Grafica 3.Probabilidades de uso de la estación. ............................................................................... 18

Grafica 4. Esquema de conexión del ATS .......................................................................................... 19

Grafica 5. Diagrama unifilar estación ................................................................................................ 22

Grafica 6. Planos del sistema ............................................................................................................ 29

Grafica 7. Selectividad protecciones, alimentación primaria. .......................................................... 35

Grafica 8. Tcc. Alimentación primaria ............................................................................................... 36

Grafica 9. Selectividad Protecciones, alimentación secundaria. ....................................................... 37

Grafica 10. Tcc Alimentación secundaria .......................................................................................... 38

Grafica 11. Características Cargadores ByD ...................................................................................... 39


Tablas

Tabla 1. Tipos de cargadores ............................................................................................................. 16

Tabla 2.Capacidad de potencia y energía según niveles de tensión ................................................. 17

Tabla 3. Capacidad de sobrecarga de transformadores. .................................................................. 17

Tabla 4. Dimensionamiento del trasformador .................................................................................. 19

Tabla 5. Capacidad del sistema ......................................................................................................... 20

Tabla 6. Selección de conductores. ................................................................................................... 21

Tabla 7. Flujo de carga (red principal) ............................................................................................... 23

Tabla 8. Flujo de carga (generador de respaldo) .............................................................................. 23

Tabla 9. Magnitudes de corriente de falla ........................................................................................ 24

Tabla 10. Material para malla a tierra ............................................................................................... 26

Tabla 11. Calibre mínimo a utilizar. ................................................................................................... 26

Tabla 12. Factor K y Cs del terreno. .................................................................................................. 26

Tabla 13. Voltajes de toque y paso. .................................................................................................. 27

Tabla 14. Materiales para malla a tierra. .......................................................................................... 27

Tabla 15. Listado de cables para estación. ........................................................................................ 28


1 RESUMEN

1.1 Resumen Ingles Around the world, developed countries have been replacing the car that uses fossil fuels for

electric car, it is because electric car avoid damage to the environment, problem that people try to

solve around the world. Following this, city Bogota, that recently have been presenting high levels

of CO2 emissions to the environment because of the cars, government proposed the

implementation of electric cars to relieve this phenomenon. Is very important design a structure

that helps to implement this type of cars, like, the electric cars stations. The finally of this project is

design a charge station for electric cars, divided in 3 principal categories. Conceptual design,

where we choose the elements and how to connect them, basic design, where we get the

electrical characteristics and simulate the project, finally detailed design, where we mention the

particular characteristic of the elements and the location of them in a map.

1.2 Resumen Español Alrededor del mundo en los países desarrollados se ha seguido la tendencia de la implementación

de los vehículos eléctricos para reemplazar los autos propulsados por combustibles fósiles, ya que

estos evitan daños en el medio ambiente, problemática la cual se busca solucionar a nivel mundial.

Siguiendo este patrón la ciudad de Bogotá, la cual ha presentado incrementos en la cantidad de

emisiones de gases tóxicos al ambiente debido a los autos, se ha propuesto la inclusión de los

vehículos eléctricos para mitigar este fenómeno. Por lo tanto es de suma importancia el diseño de

estructuras que ayuden a la implementación de este nuevo medio de transporte, como lo son las

estaciones de carga para estos autos. Por lo tanto este proyecto se encarga del diseño de una de

estas estaciones de carga, el cual estará dividido en 3 partes principales, como lo son el diseño

conceptual, donde se eligen el tipo de elementos a utilizar y tu conexión, el diseño básico, en el

que se obtienen las características eléctricas y correspondientes simulaciones, por último, el

diseño detallado, en el cual nos encargaremos de escoger el tipo específico de elementos y su

disposición en el terreno por medio de planos.

2 AGRADECIMIENTOS

Agradezco profundamente a todas las personas que han estado presentes a través de este proceso

tan importante en mi vida. La confianza que mi familia han depositado en mí es de suma

relevancia, mi madre Sandra Fox, la cual siempre ha estado pendiente de mis necesidades y ha

estado dispuesta a ayudarme a resolverlas; mi padre Oscar Varela, el cual siempre me ha dado

aliento para seguir adelante y ha encontrado siempre la manera de apoyarme aun en las

situaciones más difíciles; Mi novia Angélica Muentes, la cual me ha respaldado en cada una de las

decisiones que he tomado desde el momento que tenemos una relación; a mi hermana que me

con la cual he convivido en Bogotá desde que llegue a esta ciudad en la cual tengo apoyo cuando

lo necesito; por ultimo a todos los profesores y asistentes que me han ayudado a través de este

proceso que está a punto de culminar.


3 INTRODUCCIÓN

Debido a la inclusión del decreto 2909 del 2013 realizado por el ministerio de ambiente, en

donde se realizara durante 3 años la importación de vehículos híbridos con el 5% de aranceles,

los vehículos eléctricos sin impuestos de importación y las estaciones de carga rápida con 0%

de aranceles, es importante realizar un estudio de las características tanto de los vehículos

que van a ingresar al mercado, así como el tipo de estaciones de carga que se van a importar,

esto con el fin de realizar un correcto dimensionamiento de los parámetros eléctricos de estas

estaciones. Durante el tiempo que esté vigente el decreto mencionado anteriormente se tiene

presupuestado el ingreso de 1500 vehículos y 100 estaciones de carga. De los 1500 vehículos,

la mitad va a ser meramente eléctrico y la otra mitad va a ser de características hibridas.[1]

Este tipo de transportes son una excelente alternativa a los vehículos utilizados normalmente

para la movilidad en Colombia, debido a la eliminación de agentes contaminantes y la

eficiencia superior que estos tienen con respecto a los vehículos que utilizan combustibles

fósiles. Por lo tanto la importancia de establecer los sistemas de conexión de estos vehículos a

la red de distribución de Colombia por medio de las estaciones eléctricas y su impacto en el

sistema. Los estudios realizados de los autos eléctricos incluidos en el país, muestran que el

proyecto es viable desde un punto de vista ambiental, estos muestran que por el uso de estos

vehículos se ha dejado de producir unos 75000 kilogramos de CO2 en 640000 kilómetros

recorridos, los cuales fueran emitidos por automóviles convencionales.[6]

4 OBJETIVOS

4.1 Objetivos Generales

Diseño de una estación de carga rápida para vehículos eléctricos.

4.2 Objetivos Específicos

Ejecutar un diseño conceptual de la estación de carga rápida para vehículos eléctricos.

Realizar el diseño básico de la estación de carga rápida.

Elaborar el diseño detallado de la estación de carga rápida.

Comprar la estación diseñada con las actualmente instaladas en la ciudad.


4.3 Alcances y Productos Finales

El alcance de este proyecto se centra en el estudio y el análisis de las estaciones de carga para

autos eléctricos, todo esto con el fin de tomar la mejor elección en cuanto a los dispositivos

eléctricos que se van a emplear para el diseño, esto en la parte conceptual.

Por otro lado, unas ves definidos los elementos necesarios, se procederá a definir las

características eléctricas y el esquema de interconexión de estos con la red de distribución de

Codensa. En este paso se utilizara el software ETAP para obtener simulaciones y resultados que

demuestren un excelente comportamiento del sistema, también se realizara simulaciones de flujo

de carga y análisis de corto circuito. Por último se hará el diseño detallado de la estación de carga,

en el cual se utilizara el programa AUTOCAD para diseño de planos para la ubicación de los

elementos

5 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

Actualmente en Colombia se dio la inclusión de un decreto, el cual tiene como fin disminuir los

impuestos que se deben pagar para la importación de vehículos eléctricos, esto a partir del 2014.

Este decreto también aplica para la importación de estaciones de carga y autos híbridos.

En la actualidad la ciudad de Bogotá cuenta con un plan piloto en donde se ha hecho la inclusión

de 50 taxis eléctricas, de los cuales en momento se encuentran circulando alrededor de 30, estos

autos son de una marca china, BYD, la cual está representada en nuestro territorio por Praco

Didacol. [3]

El problema principal que presentó el proyecto fue la falta de estaciones públicas en donde cargar

los vehículos que estaban circulando por la ciudad, por lo tanto en Bogotá se realizó la instalación

de tres electro lineras funcionales la cuales están ubicadas en el tercer milenio, en la diagonal 47

con 77c y la última de estas instaladas por Codensa se encuentra en la bolera del salitre, la cual

cuenta con 13 cargadores con un funcionamiento de las 24 horas del día. Estas estaciones de carga

cuentan con una velocidad de carga del 80% de la capacidad de carga en una hora y media,

mientras que el precio del kilovoltio esta en 105 pesos, el cual se incluye el costo de la

infraestructura, el mantenimiento y los equipos requeridos. Debido a que el uso de estos

vehículos públicos es mayormente en el área del norte de la ciudad se piensa hacer la inclusión de

una estación de carga rápida en el parque ubicado en la 106 con carrera 15.

Al realizar una visita a la instalación del salitre, me encontré con una estación que cuenta con 13

cargadores de una potencia conjunta de 500 Kva a un voltaje de 380Vac, para la cual se utiliza un

transformador reductor de una potencia de 630 Kva, el principal problema radica en que la

mayoría del tiempo este transformador no utiliza ni la mitad de la potencia máxima, debido a que

un carro solo utiliza 30Kva de carga y no es común ver más de un carro cargando al tiempo.


Por lo tanto en este trabajo se propone realizar el diseño de la estación que puede ser instalada en

la parte norte de la ciudad, así como la elección de los dispositivos eléctricos, para el correcto

funcionamiento.

6 MARCO TEÓRICO

Existen diferentes tipos de cargar un vehículo eléctrico, las cuales se diferencian debido a su nivel

de voltaje y corriente inyectados al vehículo y al tiempo que estos demoran en llegar a porcentaje

de carga en sus baterías. Primero se analiza la carga lenta, en donde el vehículo obtiene una

inyección de potencia a un voltaje de 230V y 16 A, el cual dura entre 6 y 8 horas. Luego tenemos

la carga rápida, donde el recibe corrientes de 32A a un voltaje de 400V, en el cual se obtiene una

carga completa entre 60 y 80 minutos. Por último la carga ultra rápida en donde se puede obtener

el 80% de la carga del vehículo entre 15 y 30 minutos. Estos diferentes tipos de cargadores se

pueden instalar tanto en lugares públicos como privados, por lo tanto es de suma importancia

comprobar el rendimiento de estos para cada uno de los diferentes lugares en los cuales se

pueden implementar. [2]

Para la instalación de este tipo de estaciones dentro de la normativa colombiana de la NTC,

encontramos la regulación de las instalaciones y los equipos que se deben implementar para el

funcionamiento de las estaciones de carga de los vehículos eléctricos, esto se encuentra en la

sección 625, equipos para sistemas de carga de vehículos eléctricos. Esta norma mencionada no

aplica a motocicletas, bicicletas o vehículos similares, ni a vehículos eléctricos industriales como

grúas, carretillas, elevadores.[7]

625-4 Tensión: a menos que los equipos de carga indiquen lo contrario, la conexión de las

estaciones se debe hacer por medio de sistemas AC y un voltaje nominal de 120 v, 120/240 v,

280y/120 v, 240 v, 480y/277 v, 480 v, 600y/347 v o 600v. Por otro lado, todos los dispositivos y

materiales utilizados deben estar correctamente certificados y rotulados.

625-9 los conectores de vehículos eléctricos deben cumplir con las siguientes indicaciones:

Polaridad: los conectores de los autos eléctricos deben tener una polaridad y

configuración, la cual impida que estos sean intercambiables con tomacorrientes de otros

sistemas eléctricos de la propiedad. Además que estos deben contar con un sistema de

doble aislamiento o equivalente, que cumpla con la sección 250, y no debe ser

intercambiable por conectores para vehículos del tipo con puesta a tierra.

Construcción e instalación: los conectores para vehículos eléctricos deben estar diseñados

e instalados de manera que no halla posibilidad de hacer un contacto accidental, de los

usuarios, con partes del equipo de suministro del vehículo (baterías) que puedan estar

energizadas.

Acople: el acople que se hace entre el conector de suministro y el dispositivo de entrada

debe tener una confiabilidad tal que sea imposible la desconexión accidental.


Polo de puesta a tierra: los conectores que suministran la energía a los vehículos deben

tener un polo de puesta a tierra, el cual debe ser el primero en conectarse con el vehículo

y el ultimo en desconectarse de este.[8]

7 DEFINICIÓN Y ESPECIFICACIONES DEL TRABAJO

7.1 Definición

Este proyecto se basa en el diseño de una estación de carga para vehículos eléctricos, la cual va a

contar con las etapas de diseño conceptual, básico y detallado, lo cual permite una delicada

elección de los elementos eléctricos, correcto dimensionamiento y montaje de dichos elementos,

para un posterior análisis con las estaciones ya implementadas.

7.2 Especificaciones

Las limitaciones que se presentan en el desarrollo del trabajo son enumeradas a continuación:

- Actualmente en Colombia no se cuenta con una normativa específica que aplicable al diseño y

la posterior instalación de una estación de carga para vehículos eléctricos.

- Tanto los dispositivos de carga, como los vehículos que se están implementando en el país son

de la marca china ByD, por lo tanto estamos sujetos a las especificaciones de sus equipos y a la

disponibilidad de estos.

- Hay que tener en cuenta que la carga de los vehículos no se presenta de manera simultánea,

es decir, que no todos los vehículos van a llegar a la electro linera al mismo tiempo y cargar los

vehículos el mismo tiempo.

- La carga mínima a los que se puede someter un vehículo es de 30 minutos, con una duración

máxima de 2 horas cargando.

Con base en las restricciones mencionadas anteriormente se va a desarrollar el trabajo bajo estas

restricciones:

- Para la implementación y el diseño de la estación utilizare las normas de diseño de Codensa,

así como lo especificado en la NTC 2050 sección 625.

- Los dimensionamientos de los diferentes equipos van a ser diseñados para la instalación de

elementos de carga tipo ByD y para ser utilizados en vehículos de la misma marca

- Realizar diseños probabilísticos que me permitan definir el número de carros que

normalmente se podrían tener en una estación de carga, esto con el fin de no

sobredimensionar los elementos elegidos.


8 METODOLOGÍA (DESARROLLO)

Realizar una revisión de las normas aplicables en la construcción de la estación de

carga rápida para vehículos eléctricos tanto privados como públicos.

- Leyes Colombianas y Normativas eléctricas.

- Revisar que normas están en estudio para el desarrollo de este tipo de

tecnología

Determinar los equipos que se deben utilizar para la instalación de estaciones de

carga rápida y sus características eléctricas más importantes.

- Realizar un estudio de los diferentes tipos de cargadores en el mercado.

- Definir el tipo de cargador que se acomoda al sistema de distribución

colombiano y sus características.

- Establecer los equipos que deben implementar para viabilizar la

instalación de la estación de carga rápida.

Establecer los parámetros eléctricos de los equipos escogidos para la instalación

de la estación de carga rápida.

- Precisar el orden de la conexión de los equipos elegidos, con el fin de

obtener un eficiente funcionamiento de estos elementos.

Definir el esquema de Interconexión con la red de distribución local, para las

estaciones de carga rápida.

- Realizar simulaciones de las conexiones de los elementos para

comprobar el funcionamiento de este en el sistema de carga escogido.

Realizar el diseño físico y detallado de la estación de carga.

- Realizar la definición especifica de los elementos utilizados

- Diseñar los planos de la estación de carga.

Concluir.

- Analizar los resultados obtenidos en las simulaciones y definir la

viabilidad de la implementación del proyecto.

- Tener en cuenta características a estudiar en trabajos futuros

relacionados con el tema.

- Comparar los resultados obtenidos con las instalaciones ya

implementadas.

Entregables.

- Diseño conceptual de la estación.

- Diseño básico de la estación de carga rápida.

- Diseño detallado y simulaciones para la estación.

- Planos en AUTOCAD

- Documento final y presentación.


A continuación se presenta el esquema implementado para la realización del proyecto:

Grafica 1. Implementación del proyecto de grado

Inicio.

Estudio de normativa

Establecer las características eléctricas

Analizar y concluir resultados

Definir los equipos que se implementaran

Esquema de conexión con la red de distribución

Realizar simulaciones del sistema

Diseño de planos

¿Las simulaciones

son congruentes?

Fin

No

Si


9 TRABAJO REALIZADO

9.1 Diseño Conceptual Debido a que se tiene pensado realizar una instalación de estación de carga en la parte norte de la

ciudad de Bogota, este proyecto se va a centrar en el diseño de una electro linera que puede ser

ubicada en el parque de la carrera 15 con calle 106. Para efectos de diseño, esta estación contara

con 10 unidades de carga individuales, las cuales funcionaran durante las 24 horas del día para

comodidad de los usuarios.

. Grafica 2.Esquema conceptual de la estación.

En el esquemático de la figura 2 podemos apreciar la forma de conexión de los equipos utilizados.

La red de Codensa se conectara a un transformador reductor, este transformador a su vez ira

conectado a un ATS. El ATS es un dispositivo automático que permite un cambio entre la energía

suministrada por la red principal y el generador. A este dispositivo ATS también va conectado un

generador de respaldo a la red principal, en caso de fallas en la red de Codensa, este generador

evita que los vehículos conectados sean usados como baterías para suministrar energía a los

elementos del sistema. Por último el switch va conectado a los cargadores por medio de un

tablero, donde se tendrá control de cada uno de los equipos de carga.

Red Codensa Transformador

Generador ATS

Tablero principal

Cargador autos

eléctricos.


9.2 Diseño Básico

9.2.1 Equipos de carga

El diseño básico comienza con la definición del auto eléctrico que se está implementando ahora

mismo en Colombia. Este vehículo modelo e6 es de marca ByD, el cual cuenta con un batería

recargable de fosfato de hierro, con una vida útil de 10 años aproximadamente, la cual tiene un

tiempo de carga de 100% en dos horas, llegado a su capacidad máxima de 61,4KWh. Por otro lado

este auto cuenta con frenado regenerativo que le entrega mayor autonomía por carga, con una

distancia máxima de 300 km en su máxima carga. La potencia con la que se carga estos vehículos

es de 30 Kw de potencia a un voltaje de 380 Vac.

Por otra parte la empresa nos ofrece dos tipos de cargadores para autos eléctricos, los cuales son

mostrados a continuación:

Tabla 1. Tipos de cargadores

Estos cargadores son de tipo empotrados en la pared, encapsulados en IP 55 y cuentan con un

adaptador de tipo GB/T 20234-2012, el cual tiene una longitud de 3 metros y protección contra

cortos, sobrecalentamiento y lighting. Debido a la naturaleza de estos cargadores, la potencia del

cargador monofásico se puede emplear más para carga lenta, debido a que por su poca potencia

emplea de 6 a 8 horas en cargar un auto, a su vez el cargador trifásico lo hace en máximo 2 horas,

por esto utilizaremos los cargadores trifásicos.[5]

9.2.2 Conexión a la red de distribución

La conexión de este sistema eléctrico con la red de Codensa, debe cumplir con una serie de

requisitos, el más importante es tener en cuenta la cantidad de carga que se puede instalar en

cada uno de los niveles de conexión que esta ofrece.

Modelo EVA007KG2206/01 EVA040KG3806/01

monofasico trisfasico

Voltaje entrada 220 VAC 380VAC

Corriente entrada < 32 A < 63 A

Potencia entrada < 7 Kw < 40 Kw

Voltaje salida 220 VAC 380VAC

Corriente salida < 32 A < 63 A

Potencia salida < 7 Kw < 40 Kw

Frecuencia 60 Hz 60 Hz

Cargadores eléctricos


Tabla 2.Capacidad de potencia y energía según niveles de tensión

En la anterior tabla encontramos las restricciones tanto de energía como de potencia que puede

suministrar cada uno de los niveles de tensión según Codensa, por lo tanto, al tener una carga

neta de 10 cargadores trifásicos, esto nos genera una carga neta de 400Kw, por lo tanto el nivel 1

de conexión no sirve, lo que genera que la conexión de la electro linera se realice al nivel dos de

tensión al cual va a estar conectado a una red de 11,4 Kv.[11]

9.2.3 Dimensionamiento Transformador.

El diseño del transformador, no se realizara teniendo en cuenta la demanda máxima de los

cargadores, debido a que es muy poco probable que estos sean usados todos al tiempo y en su

máxima potencia debido a que solo se necesita un 75% de su potencia máxima para la carga de los

autos. Con respecto al transformador se utilizara un modelo de demanda diversificada, en donde

cada uno de los autos tiene posibilidad de cargar mínimo 30 minutos y máximo 2 horas. Por otro

lado sabemos que un modelo de transformador puede entregar varias veces su capacidad nominal

por breves periodos de tiempo sin resultar afectado, como se muestra en la siguiente tabla.[10]

Tabla 3. Capacidad de sobrecarga de transformadores.


Para entender la probabilidad de que un auto este en la estación, debemos tener en cuenta que

cada auto es independiente y puede ir a cualquiera de las cuatro estaciones en Bogotá. Por esto

calculamos que para que un auto cargue su batería en la nueva estación, este la escogerá con un

25% de probabilidad, mientras que si 2 carros cargan su batería al mismo tiempo esta probabilidad

baja a un 6,25%, tres carros cargando al mismo tiempo en la estación es una probabilidad de 1,5%,

de cuatro carros en adelante la probabilidad que estén usando la estación al mismo tiempo

decrece a menos del 1% de probabilidad, por este motivo al dimensionar el transformador con la

capacidad neta multiplicada por 125% nos arrojaría un transformador completamente

sobredimensionado para el 99% de los casos de este estudio.

Grafica 3.Probabilidades de uso de la estación.

Por lo tanto siguiendo estos datos para hacer el dimensionamiento de la demanda diversificada

del transformador y sabiendo que este puede tener una sobrecarga de dos veces la potencia

máxima del transformador por media hora, sin resultar afectados. Tenemos que la potencia

máxima de la estación es de 400Kw, de la cual la máxima potencia utilizada cuando están

utilizando los 10 cargadores es de 300Kw, evento que ocurrirá menos de 1% como se muestra en

la gráfica anterior. Por lo tanto el transformador que se va a utilizar es de 255kw, el cual puede

tener un aumento hasta 510kw durante 30 minutos sin resultar averiado.

Este dimensionamiento permite que 8 cargadores funcionen a plena carga todo el tiempo,

mientras que al funcionar con la potencia necesaria para cargar los vehículos (30Kw) pueden

funcionar 8 cargadores que da un total de 240Kw, esto sucede en menos de 1% de las veces. De

ser necesario el uso de los 10 cargadores, el transformador permite que se sobrecargue hasta

510kw, por 30 minutos sin resultar afectado, para obtener la potencia máxima de los 10

cargadores de ser necesario.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10


Tabla 4. Dimensionamiento del trasformador

Dimensionamiento del transformador 11,4Kv/380v

Corriente 420,8

tensión 380

Kva 277

Factor de utilización 0,9

Capacidad(KVA) 300

Capacidad estándar (Kw) 255

9.2.4 ATS

Este tipo de elemento es un switch de intercambio para suplir la necesidad de energía cuando la

red principal tenga alguna falla. El funcionamiento de este dispositivo es netamente automático

por medio de dispositivos de control para obtener un mayor control de la falta de energía en el

sistema. Para ello, el switch está conectado a la red principal y a un generador auxiliar, cuando se

presentan problemas en la red de suministro el dispositivo activa el funcionamiento del generador

de respaldo, una vez este generador llega a una condición de funcionamiento óptima, este

dispositivo realiza el cambio de la red principal al suministro de respaldo.es de suma importancia

tener un sistema de control bien dimensionado en la escogencia de este dispositivo para no tener

interferencia en caso de que ocurra una contingencia en la red principal.[9]

Grafica 4. Esquema de conexión del ATS


9.2.5 Generador

Para el diseño de la estación de carga se utilizara un generador sincrónico trifásico, el cual va a

suministrar la potencia necesaria para el funcionamiento de los cargadores en caso de que se

presente alguna contingencia en la red de distribución principal. Por los tanto hay que tener en

cuenta que para el dimensionamiento de este es necesario incluir la capacidad de la estación si

esta se encuentra utilizando los 10 cargadores. Cuando la estación se encuentra en uso total, cada

cargador necesita 30Kw de potencia a un voltaje de 380v, por lo tanto si los diez cargadores se

encuentran en funcionamiento la potencia total seria de 300Kw, el cual va a ser el valor del

generador de emergencia, por otro lado hay que tener en cuenta el derrateo de estas unidades

debido a la altura sobre el nivel del mar, el cual es un factor de diseño proporcionado por el

fabricante del equipo.

9.2.6 Selección de conductores.

Para el dimensionamiento de los conductores es necesario tener en cuenta la siguiente

información:

Corriente nominal: se calcula en base a la potencia nominal que en este caso es de 300kw, a través

de la siguiente relación

Donde P es la potencia nominal, V es el voltaje de trabajo línea a línea y k0 es √ debido a que es

trifásico.

Conductores para cargadores: La corriente para los conductores de cargadores se calculan con un

factor superior a la unidad para que puedan soportar las máximas corrientes. Este factor casi

siempre es 1.25

Tabla 5. Capacidad del sistema

Selección de conductores Potencia(kw) Voltaje(Kv) Corriente nominal(A) Corriente Protección(A)

Red principal 300 11,4 15,2 18,9

Transformador (baja) 300 0,38 455,8 569,8

Generador 300 0,38 455,8 569,7

Cargadores 40 0,38 60,8 75,9


En la tabla anterior se presentan los datos relevantes para obtener una correcta selección de

conductores, para la cual se toma en cuenta una potencia del sistema de 300Kw, debido a que al

utilizar la potencia que nos entrega el transformador puede ocurrir que en el momento de obtener

plena carga en el sistema los conductores no soporten la corriente en el circuito y se presenten

daños en alguno de los elementos.

Tabla 6. Selección de conductores.

Conductor AWG, Kcmil Insullation N° Conductores Ampacidad(A) Temperatura Distancia

Cobre 2 XLPE 1 200,6 90 15

Cobre 3/0 THHN 3 666 75 10

Cobre 3/0 THHN 3 582,75 75 12

Cobre 4 THHN 1 94,35 75 8

Para la selección de los conductores, hay que tener en cuenta que la temperatura ambiente es de

20°C, para la ciudad de Bogotá, por lo tanto se tiene un factor de corrección de 1,11 según la

NFPA70 del 2011, por otro lado hay que tener en cuenta que la temperatura a la cual trabajan los

conductores es de 75°C para baja tensión y de 90°Cpara media tensión. Esta selección se hizo a

partir de la NFPA70 y los datos suministrados por Procables. [12] [13]


9.2.7 Diagrama unifilar

Grafica 5. Diagrama unifilar estación

El diseño unifilar de la estación de carga de autos eléctricos, está conectado a la red de

distribución de media tensión de 11,4Kv por medio de un transformador de 300Kva. Este sistema

cuenta con un generador de respaldo de 300Kw para evitar que la estación salga de

funcionamiento debido a contingencias en la red principal. Estos dispositivos están conectados a

un ATS y un sistema de control sobre el generador de respaldo, el cual es un switch automático el

cual se activa en el momento que el generador ha llegado a un estado estable de generación. Por

último los elementos de generación están conectados por medio de un cable al tablero principal

en el cual se encuentran conectados las acometidas y las protecciones de los 10 cargadores que se

van a simular, esto con el fin de poder manipular estos dispositivos desde el mismo punto.


9.2.8 Flujo de carga

Para el flujo de carga se tomó en cuenta que la estación de carga va a tener un porcentaje de

carga diferente para diferentes horarios del día, por lo tanto se simularon diferentes escenarios

que ayuden a ver el comportamiento de los elementos seleccionados y su comportamiento en

dichos casos.

Tabla 7. Flujo de carga (red principal)

Bus(PU)

Porcentaje de carga Transformador Tablero principal Cargadores

10% 0,999 0,998 0,9967

30% 0,996 0,996 0,994

50% 0,994 0,993 0,991

70% 0,992 0,991 0,98

100% 0,988 0,987 0,984

En la tabla anterior se muestran los resultados de los flujos de carga para diferentes porcentajes

de carga, utilizando la red principal. Primero que todo, se puede apreciar que los niveles de

tensión para los buses importantes en el sistema están dentro del rango de 5%, lo cual lo hace un

sistema bien diseñado y convergente. Por otro lado hay que tener en cuenta que la tener una

carga del 100%, el transformador se sobrecarga hasta 450kw, por un periodo no superior de media

hora, permitiendo que todos los cargadores puedan entregar una potencia suficiente para su

funcionamiento óptimo, el cual es 300Kw con los cuales se tiene una caída de tensión permisible

para el funcionamiento recomendable. Observar anexo 14.1.

Tabla 8. Flujo de carga (generador de respaldo)

Bus(PU)

Porcentaje de carga Generador Tablero principal Cargadores

10% 1 0,999 0,998

30% 1 0,999 0,997

50% 1 0,999 0,997

70% 1 0,998 0,996

100% 1 0,998 0,996

La tabla anterior presenta el flujo de carga de la estación para una contingencia en la red principal,

en ese momento se presenta la activación del ATS, por medio de un sistema de control y en el

momento que el generador llegue a un estado estable de generación, este automáticamente


cambia a un estado de generación secundario. En este caso dado que el generador es de 300Kw,

no necesitamos una sobrecarga de este sistema, aunque tenemos que tener en cuenta el derrateo

de este equipo por funcionamiento a una altura mayor a la del nivel del mar. Podemos ver que los

valores del flujo de carga están dentro de un rango del 1% de caída, lo cual hace que este sistema

de emergencia sea una excelente alternativa para suplir la energía necesaria al sistema.

9.2.9 Estudio de corto circuito.

Para realizar el estudio de corto circuito para la estación de carga de autos eléctricos, se fallan las

barras principales del circuito, para determinar los valores de corriente y voltaje, esto con el fin de

determinar el valor de las protecciones que se van a implementar en el sistema.

Observando la barra principal del sistema, la cual equivale al tablero principal, es necesario tener

un sistema de protecciones que trabaje con un voltaje mínimo de 380 V, la protección para este

debe soportar una corriente de corto de 6,348KA, por otro lado, en la barra generación auxiliar,

donde tenemos una corriente de corto de 4,468KA, el voltaje mínimo que debe tener la

protección es de 380v, por último, en la parte de baja del transformador, en la red principal,

debemos aguantar una corriente de corto de un valor 6,559KA.observar anexo 14.2

Tabla 9. Magnitudes de corriente de falla

Bus 3G LG LL LLG

ID kV Mag. (kA) Mag. (kA) Mag. (kA) Mag. (kA)

Red Principal 11,4 0,577 0,864 0,5 0,992

Transformador 0,38 5,825 6,559 5,045 6,340

Tablero principal 0,38 5,717 6,348 4,951 6,269

Generador 0,38 4,468 4,468 3,869 4,468

Cargadores 0,38 5,074 4,962 4,394 5,657

9.2.10 Coordinación de protecciones.

Para la selección de las protecciones que se van a utilizar, hay que tener en cuenta el estudio de

corto circuito realizado anteriormente, en el cual se obtuvieron los valores de corriente de falla

con los cuales se seleccionan los elementos de protección. Para los cuales se tiene las siguientes

prioridades:

- Proteger la vida: por esto los equipos deben ser escogidos dependiendo el nivel de

corriente continua que maneja el sistema y el nivel de corriente de falla que debe

aguantar el dispositivo, todo esto para evitar que la seguridad de la vida sea

comprometida.


- Protección de equipos: los equipos de protección deben trabajar dentro del área de

protección de los equipos que desea proteger, para evitar que ocurra un desperfecto en

caso de alguna falla en el sistema.

- Selectividad: los equipos de protección deben trabajar perfectamente bajo condiciones de

falla y no actuar mientras no se requiera su funcionamiento. Por otro lado siempre deben

estar disponibles para el funcionamiento.

Por esto para las protecciones de los equipos se utilizaran interruptores termo-magnéticos en el

lado de baja tensión de tipo caja moldeada, manufacturados por Cutler-Hammer, que deben

aguantar mínimo 380V. Observar anexo 14.3.

9.2.11 Protecciones de equipos contra descargas eléctricas

Debemos analizar el tipo de riesgo que se presenta en el lugar de la instalación para determinar el

tipo de protecciones recomendadas para el proyecto según la NTC4552. Para esto debemos tener

en cuenta factores como DTT, el cual es un indicador de la cantidad de descargas atmosféricas en

un área de 9 km2, que para el caso de Bogotá con una corriente a 40KA, es de un nivel medio en

la escala proporcionada por la norma y baja para descargas de menor intensidad.

Por otro lado se tiene el indicador de gravedad, en la cual se estudian diferentes factores para

determinar su intensidad. Para el caso de la estación de carga, este tipo de instalación, es no

habitada, la cual se diseñara con materiales tanto metálicos como no metálicos, con un área

menor de 900m2 y una altura que no supera los 25m. Para estos para este tipo de proyectos se

tiene un indicador de gravedad leve.

En conjunto los dos indicadores, por medio del indicador de riesgo de estructuras, en el cual se

tiene un nivel de riesgo bajo, para el cual la norma nos recomienda una instalación de sistema de

protección internos, el cual va dirigido a proteger el sistema de sobretensiones, especialmente los

equipos que son sensibles a cambios bruscos en la tensión del sistema, y una puesta a tierra, la

cual ira conectada a una punta de Franklin a lo alto de 15m, por medio de un bajante de cobre de

calibre 4/0 AWG. Por otro lado, debido al nivel de riesgo no es necesario hacer un plan de

prevención y contingencia en el diseño de la estación de carga.[14]

Es importante que todos los equipos y elementos del sistema tengan una referencia a tierra con

una equipotencialidad entre ellas, es decir, estos elementos deben ser unidos entre sí por medio

de una barra de equipotencialidad para evitar las diferencias de potencial que pueden surgir entre

los elementos, el cual puede interferir en el funcionamiento de los equipos y hasta dañarlos. Este

dispositivo tiene como finalidad:

- Garantizar seguridad a las personas usuarias y operantes. - dispersar las corrientes de falla, descargas atmosféricas, electrostáticas por medio de

caminos con poca resistividad. - protección de los equipos eléctricos y las estructuras. - garantizar la equipotencialidad de los equipos por medio de la unión de las tierras.


- Transmitir frecuencias de onda larga y media.

9.2.12 Diseño de malla a tierra.[15]

1. el área del terreno que se realizara el proyecto es de 22mx15m y se diseñara una malla de 20m

x20m con un espacio entre conductores de 2 metros, enterrados a una distancia de 50 cm. Con

120 rods enterrados de 4metros

2. la mayor corriente de falla a tierra que hay en el sistema es de 4,846KA en el bus del

transformador.

3. utilizare un conductor de cobre templado por su alta conductividad y resistencia a la corrosión,

el cual debe tener un área transversal mínima de 11,8 mm2 el cual es de calibre 6AWG, pero

utilizare un conductor de 4/0 AWG, el cual aguanta corriente de falla de 48KA recomendado por la

IEEE 665.

Tabla 10. Material para malla a tierra

material Conductividad Alfa factor K0 T fusión Densidad TCAD

cobre templado 100% 0,00393 234 1083 1,72 3,42

Tabla 11. Calibre mínimo a utilizar.

Max Ia(KA) 6,559

Calibre(Kcmil) 31,66290465

Calibre(mm2) 16,03997196

4. tenemos un terreno de superficie de piedra molida con una resistividad de 3000Ohm que tiene

una profundidad de 80cm y una resistividad de la tierra de 150 Ohm. Con esto hallamos la tensión

de paso y de toque.

Tabla 12. Factor K y Cs del terreno.

superficie(Ohm) terreno(Ohm)

3000 150

K -0,904761905

Cs 0,949408284


Tabla 13. Voltajes de toque y paso.

Voltaje de toque máximo 864,9204626

Voltaje de paso máximo 2967,535531

5. teniendo una malla de 20m x 20m, enterrada a una distancia de 0,5m y con una distancia entre

conductores de 2m, tenemos que la longitud total de los conductores enterrados es de:

2 x 11 x 20m + 120x2,4 = 728m = Lt.

6. hallamos la resistencia de puesta a tierra con una Lt= 728m y una A= 400 m2, la cual tiene un

valor de 3,39 Ohm.

Esta puesta a tierra va conectada por medio de un bajante a un a punta de Franklin la cual

absorbe la descarga eléctrica y evita que se presenten daños en los equipos y riesgos en las

personas por tensiones de paso y tensiones de toque.

9.3 Diseño Detallado Para esta parte del diseño de la estación se escogerán el tipo de elementos que se van a utilizar en

la construcción de la estación eléctrica. Por otro lado se diseñara los planos de la estación de autos

eléctricos.

9.3.1 Transformador

Este transformador es de tipo pedestal, el cual va instalado dentro de un gabinete diseñado en

material cold-rolled calibre No. 10 BWG. El trasformador marca ABB de capacidad 225Kva

11,4/0,38 Kv. Este tipo de elementos tiene un precio de COP 35’000.000. Este dispositivo cuenta

con una protección tipo bayoneta (25A) con un limitador de corriente (80A) en el lado de alta, los

cuales al actuar nos aseguran de que la falla fue interna del transformador, para solucionar este

problema hay que desmontar el elemento para su revisión, disminuyendo los peligros para los

técnicos.[17]

9.3.2 Apantallamiento [19] Tabla 14. Materiales para malla a tierra.

Items Descripcion Cantidad Unidad Precio Un Total

1 Cable No. 4/0 AWG de cobre 440 m $ 23.888,00 $ 10.510.720,00

2 Varilla Copperweld de 2,4m 5/8'' 120 Un $ 86.450,00 $ 10.374.000,00

3 Caja de inspeccion con tapa 0,3x0,3m[18] 1 Un $ 348.000,00 $ 348.000,00

4 Cable pasante a varilla 5/8'' 120 Un $ 84.300,00 $ 10.116.000,00

Total $ 31.348.720,00


9.3.3 Generador

Para el generador se utilizara uno marca WEG de 300Kw, para el cual hay que tener en cuenta un

factor de derrateo por altura sobre el nivel del mar mayor a 1000msnm, el cual para el caso de

Bogotá es de 0.85 según los fabricantes. Por lo tanto se necesita implementar un generador de

356Kw a un voltaje de 380v y frecuencia de 60Hz, modelo GTA311CIIH. Este dispositivo es un

generador con bobina auxiliar, autoventilado, conexión tipo Y. este equipo tiene un costo

aproximado de COP 50 millones.[20]

9.3.4 ATS

Este dispositivo debe contar con un sistema de interruptores los cuales se activan

automáticamente en caso de una contingencia en el sistema de alimentación principal, también

tiene un sistema de control integrado el cual activa el generador de respaldo y hace la

conmutación en el momento que este se encuentre en estado estable. Este dispositivo soporta

corriente desde 40-3200A a un voltaje de 380v a 60Hz. Por lo tanto se utilizara un ATS modelo

SAQ3P-500, de la marca HSX, el cual puede aguantar potencias de 300kw y 500amp de corriente,

con un costo que está dentro de COP10’500.000 y COP20’000.000.

9.3.5 Conductores [21]

Tabla 15. Listado de cables para estación.

AWG, Kcmil Insullation N° Conductores Distancia Cantidad Precio($/m) Total

2/0 XLPE 1 15 45 $ 36.534,00 $ 1.644.030,00

3/0 THHN 3 22 198 $ 10.674,00 $ 2.113.452,00

4 THHN 1 8 24 $ 3.018,00 $ 72.432,00

Total $ 3.829.914,00

Estos cables se instalaran en tuberías PVC bajo tierra. Para el cableado de los cargadores se

utilizara tubos PVC calibre 2, los cuales se utilizan 2 en paralelo para poder llevar los 30

conductores necesitados. Para el cableado de los cables desde el generador y el transformador al

tablero principal se utilizara tubería de 1,1/2 de PVC, 3 en paralelo para cada uno. En el lado de

alta tensión se utilizara tubo PVC de 3 pulgadas. Con un costo estimado de COP430.000 de la

marca PAVCO.[22]

9.3.6 Cargadores

Los cargadores que se utilizaran son de la marca ByD trifásicos, con una capacidad de carga de

40Kw, a un voltaje de 380v. Estos cargadores estarán instalados en el exterior, por lo cual cuentan

con encapsulado IP55 el cual resiste polvo y chorros de agua de baja presión en todas las

direcciones. De este producto se importaran 10 unidades, las cuales tendrán un funcionamiento

de 24 horas al día. [5] Observar anexo 14,4 figura 11 fila 3.


9.3.7 Planos del sistema

Grafica 6. Planos del sistema

10 EVALUACIÓN PLAN DE TRABAJO

El desarrollo del proyecto de grado se realizó con algunos cambios necesarios para poder legar a la

meta establecida. En primer lugar los algunos ítems propuestos para desarrollar eran muy amplios,

por lo cual dichas tareas se subdividieron en tareas más sencillas, por otro lado no solo no solo se

tuvieron en cuenta las normativas de autos eléctricos, sino que también se hizo una análisis en

todas las normas que se necesitan para la selección y la correcta implementación de cada uno de

los equipos que se utilizan en la construcción de una estación de autos eléctricos.


Este trabajo paso de ser un proyecto con una visión muy general sobre el diseño de estaciones de

autos eléctricos, a convertirse en un proyecto detallado y con una profundidad tal que puede ser

una primera aproximación muy precisa para la construcción de dicho sistema.

11 DISCUSIÓN Y ANÁLISIS

Se realizó el diseño de una estación de carga, que en un principio se dividió en tres partes, diseño

básico, detallado y especifico, con lo cual se permitió definir cada uno de los elementos que se

necesitan para el diseño y dimensionarlos lo mejor posible para el correcto funcionamiento de

dicha instalación, todo esto con el fin de tener simulaciones por medio de ETAP que muestren que

dichos elementos hacen que la estación trabaje óptimamente.

Por otro lado al comparar la estación diseñada con las implementadas en la ciudad se encuentran

unas diferencias que indican que el dimensionamiento de los equipos no fue la correcta en dichas

ya montadas. Por un lado cuando se hizo la visita a una de las estaciones, la ubicada en la bolera

del salitre, me di cuenta que el transformador utilizado era de 630 kva, para una estación de 13

cargadores, los cuales tienen una potencia máxima de 40Kw cada uno. Aunque la potencia de

carga de los cargadores es de 30K y por investigaciones hechas en el lugar no se ha encontrado

casos en que todos se encuentren en uso al tiempo, la máxima potencia que se ha encontrado en

uso es de 300kw, encontramos un excesivo sobredimensionamiento en dicho elemento el cual es

crucial para el funcionamiento de la estación, lo que genera sobrecostos en el montaje de la

misma. Por lo tanto para el diseño de esta estación se utilizó una demanda diversificada que evita

un sobredimensionamiento en dicho elemento y en el generador de respaldo, lo cual por medio

del diseño obtenemos un transformador de 255Kw, el cual puede generar, por medio de una

sobrecarga menor del 30% los 300kw que se necesitan para la carga completa de la estación,

según análisis este caso sucede menos del 1% del tiempo.

12 CONCLUSIONES

Para el dimensionamiento de los elementos que se van a utilizar, es necesario tener en

cuenta el tiempo de carga de los vehículos mínimo y máximo, y numero de cargadores

que se utilizan al tiempo con el fin de obtener una demanda diversificada y así no tener

unos elementos sobredimensionados cuando se diseña la estación.

Es de suma importancia tener clara cuál es la capacidad del sistema y cuáles son las

características eléctricas relevantes a la hora del diseño de una estación de carga, esto

con el fin de realizar simulaciones, en este caso por medio de ETAP, que nos entreguen

resultados coherentes para su correspondiente análisis.

AL aumentar la carga de la estación, debido al uso de más cargadores en esta, se ve que la

caída de tensión es mayor, pero esto no tiene impacto dentro del funcionamiento de la


misma, debido que este aumento no es significativo como para evitar que la estación

funcione óptimamente.

Este estudio realizado puede ser tomado como punto de referencia para estudios futuros

sobre estaciones de carga y su implementación en el sistema.

En trabajos futuros se puede analizar diferentes aspectos no analizados en el trabajo,

tales como, el impacto de la implantación de dichas estaciones de carga en la distorsión

de las redes de distribución.

13 REFERENCIAS [1] ITACAB Ambiental. http://www.itacab-ambiental.net/colombia-estimula-compra-de-vehiculos-

limpios/.Consultado 13-05 de 2014.

[2] GE induatrial solutions. http://www.gepowercontrols.com/es/product_portfolio/GE_EV_charger/ecomagination-electric-vehicles/further-reading.html. Consultado 13-05 de 2014. [3]Requerimientos de Infraestructura para Implementación de Estaciones de Carga para Vehículos Eléctricos, http://kosmos.upb.edu.co/web/uploads/articulos/(A)_Requerimientos_de_Infraestructura_para_implementacion_de_Estaciones_de_Carga_para_Vehiculos_Electricos_1013.pdf. Consultado 13-05 de 2014. [4] Portafolio.http://www.portafolio.co/negocios/taxis-electricos-bogota-se-unen-plataforma-easy-taxi.

Junio 26 de 2014. Consultado 14 de agosto de 2014.

[5]Build your deams. http://www.byd.com/la/auto/e6.html. Consultado 14 de agosto de 2014.

[6]Codensa.

http://corporativo.codensa.com.co/ES/PRENSA/COMUNICADOS/Paginas/Codensaponeenservicionuevaelect

rolinera.aspx.Consultado 14 de agosto de 2014.

[7] Normatividad sobre vehículos eléctricos.

http://www.cidet.org.co/sites/default/files/documentos/uiet/normatividad_sobre_vehiculos_electricos.pdf.

Consultado 16 de agosto de 2014.

[8] NTC 2050. Norma técnica colombiana.

http://ingenieria.bligoo.com.co/media/users/19/962117/files/219177/NTC_2050.pdf. Consultado 16 de

agosto de 2014.

[9] Automatic Transfer Switches. http://www.cumminspower.com/www/literature/brochures/F-1443.pdf.

Consultado 24 de septiembre de 2014.

[10] The ABC’s of overcurrent Coordination. http://epowerengineering.com/guides-part-5.pdf. Consultado

24 de septiembre de 2014.


[11]Niveles de tensión de carga de clientes.

http://likinormas.micodensa.com/Norma/otros/niveles_tension_conexion_cargas_clientes. Consultado 24

de septiembre de 2014.

[12]National Electrical Code. NFPA70. Edición 2011.

[13] Lista de precios PROCABLES. Disponible en la web: http://www.procables.com.co. Consultado el 10 de

octubre de 2014.

[14]NTC4552. Protección contra descargas electricas atmosféricas.

http://www.wmsas.co/documentos/Normas%20sector%20electrico/_NTC%204552/NTC4552-1.pdf

.consultado 10 de octubre de 2014.

[15] IEEE 80-2000 Guide for safety in AC substation Grounding.

http://www.dee.ufrj.br/~acsl/grad/equipamentos/IEEE-std80.pdf. Consultado 10 de noviembre de 2014.

[16]RETIE.

http://www.aladi.org/nsfaladi/normasTecnicas.nsf/09267198f1324b64032574960062343c/2472a5ba30dc2

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[17]CTS525 Transformador tipo pedestal (Nivel 2).

http://likinormas.micodensa.com/Norma/centros_transformacion_redes_subterraneos/centros_transforma

cion_pedestal/cts525_transformador_pedestal_nivel_2. Consultado 10 de noviembre de 2014.

[18]Electropol, Sistema de puestas a tierra.

http://www.electropol.com.co/productos/apantallamiento/sistema-de-puesta-a-tierra. Consultado 10 de

noviembre de 2014.

[19] Intereléctricos. Disponible en la web: www.ie.com.co. Consultado el 10 de noviembre de 2014.

[20]Generadores sincronicos.

https://www.interempresas.net/FeriaVirtual/Catalogos_y_documentos/87411/WEG-

Generadores_sincronicos.pdf. Consultado el 10 de noviembre de 2014.

[21]Lista de precios centelsa. http://www.dys-sa.com/pdfcat/Lista%20de%20Precios%20CENTELSA%20290.pdf Consultado el 10 de noviembre de 2014.

[22]Pavco, Lista de precios.

http://www.pavco.com.co/images/user/wh/Lista%20de%20Precios%20Sugerida%202014.pdf. Consultado el

10 de noviembre de 2014.


14 APÉNDICES

14.1 Reporte Flujo de Carga


14.2 Reporte de Corto Circuito


14.3 Coordinación de Protecciones

Grafica 7. Selectividad protecciones, alimentación primaria.


Grafica 8. Tcc. Alimentación primaria


Grafica 9. Selectividad Protecciones, alimentación secundaria.


Grafica 10. Tcc Alimentación secundaria


14.4 Modelos y Características de Cargadores ByD

Grafica 11. Características Cargadores ByD


14.5 Propuesta Inicial

Propuesta Proyecto de grado

Oscar Varela Fox

200913280

Potencia

DISEÑO Y ESPECIFICACIONES TECNICAS PARA LA INSTALACION DE UNA ESTACION DE

CARGA RAPIDA PARA VEHICULOS ELECTRICOS.

Asesor: Gustavo Ramos

1. Formato presentación de propuesta

2. Caracterización del problema (Justificación)

Debido a la inclusión del decreto 2909 del 2013 realizado por el ministerio de ambiente, en

donde se realizara durante 3 años la importación de vehículos híbridos con el 5% de aranceles, los

vehículos eléctricos sin impuestos de importación y las estaciones de carga rápida con 0% de

aranceles, es importante realizar un estudio de las características tanto de los vehículos que van a

ingresar al mercado, así como el tipo de estaciones de carga que se van a importar, esto con el fin

de realizar un correcto dimensionamiento de los parámetros eléctricos de estas estaciones.[4]

Este tipo de transportes son una excelente alternativa a los vehículos utilizados normalmente para

la movilidad en Colombia, debido a la eliminación de agentes contaminantes y la eficiencia

superior que estos tienen con respecto a los vehículos que utilizan combustibles fósiles. Por lo

tanto la importancia de establecer los sistemas de conexión de estos vehículos a la red de

distribución de Colombia por medio de las estaciones eléctricas y su impacto en el sistema.[6]

3. Marco Teórico

a. Antecedentes externos

Existen diferentes tipos de cargar un vehículo eléctrico, las cuales se diferencian debido a su nivel

de voltaje y corriente inyectados al vehículo y al tiempo que estos demoran en llegar a porcentaje

de carga en sus baterías. Primero se analiza la carga lenta, en donde el vehículo obtiene una

inyección de potencia a un voltaje de 230V y 16 A, el cual dura entre 6 y 8 horas. Luego tenemos

la carga rápida, donde el recibe corrientes de 32A a un voltaje de 400V, en el cual se obtiene una

carga completa entre 60 y 80 minutos. Por último la carga ultra rápida en donde se puede obtener

el 80% de la carga del vehículo entre 15 y 30 minutos.[5] Estos diferentes tipos de cargadores se

pueden instalar tanto en lugares públicos como privados, por lo tanto es de suma importancia


comprobar el rendimiento de estos para cada uno de los diferentes lugares en los cuales se

pueden implementar.

b. Antecedentes locales

Actualmente en la universidad se realizó un estudio de los tipos de cargadores, sus parámetros y

su aplicación en netamente privada, es decir, su instalación en parqueaderos, hogar y trabajo. En

el cual se encontró la viabilidad de la inclusión de este tipo de medio de transporte en la sociedad

colombiana sin afectar la utilización de vehículos de combustión interna.[1]

Además se realizó el diseño de las estaciones de carga para vehículos eléctricos en residencias,

donde se encontró que es necesario el uso de cargadores programables, los cuales permiten

empezar la carga del vehículo una vez pasan los picos de carga, con el fin de cumplir con los límites

de cargabilidad establecidos por Codensa, evitando así una sobrecarga en la red eléctrica de

Codensa.[3]

Por último se estudió de la inclusión de cargadores de vehículos eléctricos en las estaciones de

gasolina, en las cuales debido a las normativas colombianas e internacionales se encontró la

viabilidad de esta instalación. Además se consideró como un problema a solucionar considerar los

efectos de ubicar los cargadores rápidos en las sistema de distribución en cuanto a la calidad de la

potencia.[2]

4. Caracterización del proyecto

a. Objetivos generales

Diseño de una estación de carga rápida para vehículos eléctricos particular.

b. Objetivos específicos

Ejecutar un diseño conceptual de la estación de carga rápida para vehículos eléctricos.

Realizar el diseño básico de la estación de carga rápida.

Realizar el concepto detallado de la estación de carga rápida.

Obtener el presupuesto del diseño de la estación de carga rápida de vehículos eléctricos.

c. Alcance (compromisos)

Con este trabajo de grado me comprometo a hacer una revisión de todas las normas aplicables

para la construcción de la estación de carga rápida de vehículos eléctricos. Además de establecer


una selección de los equipos que se deben implementar para la edificación de dicha estación y

definir sus características eléctricas.

Por otro lado realizar un estudio de los autos que más se va a importar en nuestro país, con esto

realizar cálculos de modelos de consumo viables para la economía de Colombia. Por último se

comprobara el correcto funcionamiento de la elección de los equipos realizada y el correcto

funcionamiento de la inclusión de este sistema a la red de distribución, por medio de

simulaciones.

Por ultimo realizar planos de los tipos de diseño tanto básico, detallado y conceptual, por medio

del programa de diseño como AUTOCAD.

5. Contexto del proyecto y tratamientos

a. Suposiciones

Debido a que en Colombia se implementó un decreto en el 2013, el cual durante 3 años, a partir

del 2014, se importaran tanto vehículos eléctricos sin impuestos de importación, como híbridos

con un arancel reducido a 5%. Además la importación de cargadores eléctricos sin aranceles. Este

estudio se realizara para el periodo que este decreto sea válido, es decir, en este periodo se tiene

presupuestado la inclusión de 1500 vehículos y 100 estaciones de carga rápida.

b. Restricciones

Debido a que en Colombia se está incursionando en este tipo de tecnología en los últimos años,

existen diferentes deferentes restricciones, tanto legales como de normas eléctricas las cuales

limitan el uso de este tipo de tecnología. Por esto, nos acogeremos a las leyes colombianas y a las

resoluciones normativas referentes al tratamiento de la electricidad.

c. Factores de Riesgo

Debido a la cantidad de información necesaria para la realización del proyecto, el riesgo se

presenta en la falta de información disponible en las diferentes fuentes que se deban utilizar.

6. Cronograma

a. Identificación y descripción de hitos

Realizar una revisión de las normas aplicables en la construcción de la estación de

carga rápida para vehículos eléctricos tanto privados como públicos.

- Leyes Colombianas y Normativas eléctricas.

- Revisar que normas están en estudio para el desarrollo de este tipo de

tecnología


Determinar los equipos que se deben utilizar para la instalación de estaciones de

carga rápida y sus características eléctricas más importantes.

- Realizar un estudio de los diferentes tipos de cargadores en el mercado.

- Definir el tipo de cargador que se acomoda al sistema de distribución

colombiano y sus características.

- Establecer los equipos que deben implementar para viabilizar la

instalación de la estación de carga rápida.

Establecer los parámetros eléctricos de los equipos escogidos para la instalación

de la estación de carga rápida.

- Precisar el orden de la conexión de los equipos elegidos, con el fin de

obtener un eficiente funcionamiento de estos elementos.

- Realizar simulaciones de las conexiones de los elementos para

comprobar el funcionamiento de este en el sistema de carga escogido.

Definir el esquema de Interconexión con la red de distribución local, para las

estaciones de carga rápida.

- Definir el impacto de la conexión en la calidad de la potencia del

sistema de transmisión.

- Establecer los lugares más críticos donde se puede establecer una

conexión con la disponibilidad en la red, para una eficiente

implementación.

- Realizar simulaciones de la interconexión de la estación con la red de

distribución local, para comprobar calidad de la potencia y perfiles de

voltaje.

Realizar un estudio de los tipos de autos eléctricos más utilizados.

- Definir cuál es el automóvil que tendría un mejor impacto en nuestro

país,

- Realizar un modelo de consumo viable, que maximice tanto el

funcionamiento de las estaciones y los precios de venta, como el uso de

autos en el país.

Concluir.

- Analizar los resultados obtenidos en las simulaciones y definir la

viabilidad de la implementación del proyecto.

- Tener en cuenta características a estudiar en trabajos futuros

relacionados con el tema.

Entregables.

- Diseño conceptual de la estación.

- Diseño básico de la estación de carga rápida.

- Diseño detallado y simulaciones para la estación.

- Documento final y presentación.


b. Cronograma (Gantt (tiempos, dependencias, recursos, entregables))


7. Recursos

En este trabajo se va a realizar una serie de estudios para analizar la viabilidad de las conexiones

de las estaciones de carga rápida en Colombia, además de escoger los elementos que se deben

implementar. Por lo tanto es de suma importancia utilizar un programa que nos ayude a

comprobar por medio de simulaciones, tanto el buen funcionamiento de la instalación, como un

excelente acople de esta al sistema de distribución, es decir, conservar la calidad de la potencia y

los perfiles de voltaje. Por otro lado se va a hacer uso del programa AUTOCAD para la realización

de los planos de la estación.

8. Bibliografía

[1]Pardo, D. Estudio de la estación de carga para vehículos eléctricos para aplicación en hogar,

trabajo, parqueaderos en carga rápida y lenta. Sustentado 31 de mayo de 2012. Recuperado 20 de

mayo de 2014

[2]García, J. Factibilidad de conexión de cargadores eléctricos para baterías en estaciones de

servicio. Sustentado el mes de noviembre del 2012. Recuperado el 20 de mayo del 2014.

[3] Pardo, D. Diseño instalación eléctrica residencial para carga de vehículos eléctricos. Sustentado

31 de mayo de 2012. Recuperado 20 de mayo de 2014.

[4]ITACAB Ambiental. http://www.itacab-ambiental.net/colombia-estimula-compra-de-vehiculos-

limpios/.Consultado 13-05 de 2014.

[5] GE induatrial solutions. http://www.gepowercontrols.com/es/product_portfolio/GE_EV_charger/ecomagination-electric-vehicles/further-reading.html. Consultado 13-05 de 2014. [6]Requerimientos de Infraestructura para Implementación de Estaciones de Carga para Vehículos Eléctricos, http://kosmos.upb.edu.co/web/uploads/articulos/(A)_Requerimientos_de_Infraestructura_para_implementacion_de_Estaciones_de_Carga_para_Vehiculos_Electricos_1013.pdf. Consultado 13-05 de 2014.

diseÑo y especificaciones tecnicas para la instalacion de …

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