Cálculo de caídas de tensión en instalaciones eléctricas

Para el buen funcionamiento de una instalación, es necesario asegurar que la caída de tensión no será superior a las tolerancias de los elementos que la componen.

El cálculo deberá realizarse en régimen normal y en régimen perturbado (arranque de grandes motores por ejemplo), teniendo en cuenta la duración de este régimen excepcional. Ver post: “Hoja de cálculo Excel de la caída de tensión en el arranque directo de grandes motores” en el siguiente link: 

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/10/hoja-de-calculo-excel-de-la-caida-de.html

●  Caída de tensión en un cable trifásico de  BT o AT para un cos ϕ = 0,85

Véanse gráficas siguientes, siendo: A: en Aluminio, C: en cobre   

Para obtener la caída de tensión en monofásico, multiplicar los valores de ∆U por 1,15 

• Caída de tensión de la red de alimentación

                 I: intensidad consumida

                ϕ: desfase

                Icc: corriente de cortocircuito en el punto considerado de la instalación

• Disminución de la caída de tensión en la línea por la instalación de condensadores

La compensación expresada en valores relativos viene dada por la fórmula aproximada             siguiente:

                Qc: Potencia reactiva de la batería de condensadores expresada en kVAr.

                P: Potencia conectada expresada en kW.

                I: Intensidad consumida expresada en amperios.

                Icc: Corriente de cortocircuito expresada en amperios.

 Ejemplo:

En una red de 20 kV con Icc = 3000 A circula una corriente de 120 A con un cos ϕ = 0,95 (sen ϕ = 0,3).

La caída de tensión debida a la red aguas arriba viene dada por:

Después de instalar una batería de condensadores de 800 kVAr, la compensación viene dada por:

La caída de tensión debida a la red tiene una caída del 0,4%.

• Caída de tensión debida a los transformadores

Dependiendo del valor de las pérdidas en carga Pcc y tensión de cortocircuito ucc % del transformador (según tablas del fabricante), se tiene:

 Para una carga I con desfase ϕ

Para transformadores de potencia 250 a 2500 kVA se pueden utilizar las gráficas siguientes para carga nominal.

Nota 1: El buen funcionamiento de los motores y transformadores está garantizado cuando la tensión de servicio está comprendida en la gama de ± 5% de la tensión nominal (en régimen permanente).

Nota 2: La corriente de arranque de grandes motores puede alcanzar 6 a 8 In y durar hasta 30 segundos.

En este periodo de tiempo la caída de tensión sobre la red de alimentación puede ser elevada y ser causa de averías para otros receptores.

Prácticamente en servicio normal la caída de tensión no deberá exceder del 6 % cuando se trata de una conexión en AT y del 3 % cuando se trata de BT.

POST EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:

http://www.mediafire.com/file/5b63yxd6t3guyik/C%C3%A1lculo_de_ca%C3%ADdas_de_tensi%C3%B3n_en_redes_el%C3%A9ctricas.pdf


POSTS RELACIONADOS:

Verificación de las caídas de tensión en instalaciones de BT.

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2016/03/verificacion-de-las-caidas-de-tension.html

Ventajas del aumento de tensión en líneas de distribución con cargas saturadas

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2016/09/ventajas-del-aumento-de-tension-en.html

Corrección de la energía reactiva

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2016/06/correccion-de-la-energia-reactiva.html

Técnicas para el control del efecto Ferranti en líneas de Alta Tensión

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2016/09/tecnicas-para-el-control-del-efecto.html

            

Bobinas de reactancia limitadoras de intensidad

Las bobinas de reactancia limitadoras de intensidad, también denominadas “bobinas de choque”, son reactancias que sirven para limitar las intensidades de cortocircuito. Se utilizan cuando se desea reducir la potencia de cortocircuito de grandes redes, instalaciones de generación y distribución a un valor admisible teniendo en cuenta la resistencia al cortocircuito de los elementos instalados o la potencia de ruptura de los interruptores. Estas bobinas, debido a su autoinducción, dan lugar a una caída de tensión de valores poco elevados (del orden del 5 a 10%), con el fin de evitar que se altere la regulación de la tensión en la red.

Debido a que la reactancia de las bobinas debe permanecer constante al producirse un cortocircuito, sólo son apropiadas las reactancias de aire (bobinas sin entrehierro). Si se empleasen núcleos de hierro, resultaría una disminución de la inductancia de la bobina, debido a la saturación del hierro por las corrientes de cortocircuito, reduciéndose así considerablemente su protección.

Conexiones de bobinas de reactancia

La conexión indicada en la figura 1 con las bobinas en las salidas es la más usual.

La conexión indicada en la figura 2 con la bobina en la alimentación, comúnmente denominada “reactancia de grupo”, se elige generalmente por razones de espacio. Sin embargo, los gastos de adquisición y mantenimiento son, para igual grado de protección, mayores que con las bobinas en las salidas.

En centrales eléctricas con gran potencia de cortocircuito se suelen instalar bobinas de reactancia longitudinales según la figura 3. Con ello se tiene una conexión continua entre las barras colectoras, si bien, en caso de cortocircuito y al abrirse el interruptor, la potencia de cortocircuito estará limitada aproximadamente a los valores de los distintos sistemas.

Instalación de bobinas de reactancia

Al instalar reactancias debe cuidarse que las pérdidas de calor durante el servicio se disipen mediante una ventilación adecuada. Aproximadamente puede calcularse un consumo de unos 4… 5 m³ /min. de aire fresco por cada kilovatio de pérdidas.

Además debe tomarse la precaución de instalar las bobinas lejos de partes metálicas ya que estas pueden sufrir un calentamiento excesivo por corrientes de Foucault.

Las distancias entre las bobinas de reactancia y las estructuras de acero, así como las armaduras metálicas de techos, paredes o suelos, no deben ser inferiores a 500 mm. Si el suelo estuviese armado con hierros, las bobinas deberán colocarse sobre zócalos de hormigón.

Figura 4: Instalación de bobinas de reactancia

En caso de celdas de materiales no magnéticos (aleaciones de aluminio) es suficiente la distancia mínima correspondiente a los niveles de aislamiento según IEC 60071-1 y 60071-2 (Coordinación de aislamiento). Cerca de campos magnéticos fuertes han de evitarse las estructuras cerradas que sean buenas conductoras de la electricidad (trayectos de corto circuito). En caso dado, habría que abrir estos trayectos y puentearlos con material aislante, para evitar calentamientos por corrientes circulares parásitas.

Fórmulas para el cálculo de bobinas de reactancia

I_n= Intensidad nominal de paso.

S_Pb = Potencia propia de la bobina.

U_n = Tensión nominal (kV).

X_b = Reactancia de la bobina (Xb ≈ Zb).

S_n = Potencia nominal de paso (MVA).

S''_K1 = Potencia de cortocircuito sin bobina (MVA).

S''_K2 = Potencia de cortocircuito con bobina (MVA).

U_k =Tensión de cortocircuito de la bobina

Ejemplo de cálculo:

S''_K1 = Potencia de cortocircuito sin bobina: 500 MVA.

S''_K2 = Se desea limitar dicha potencia a 300 MVA

U_n = Tensión de servicio: 10 kV

S_n = Potencia nominal: 6 MVA

Incremento de la caída de tensión que produce la bobina, con carga nominal (In), y factor de potencia cos ϕ = 0,8 (sen ϕ = 0,6):

POST EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:

http://www.mediafire.com/file/ab2oerj5br983bz/Bobinas_de_reactancia_limitadoras_de_intensidad.pdf

POSTS RELACIONADOS:

Etapas para el cálculo de la corriente de cortocircuito mínima en redes de alta tensión

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2016/07/etapas-para-el-calculo-de-la-corriente.html

Datos de partida para crear un proyecto de protección en un sistema eléctrico industrial

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/07/datos-de-partida-para-crear-un-proyecto_9.html

Debate sobre el éster vegetal vs aceite mineral en transformadores

• Sobre el envejecimiento del papel:

Son muchos los estudios publicados que demuestran que el papel celulósico se comporta mejor cuando envejece en éster natural que cuando lo hace en aceite mineral. Pero también es cierto que hay científicos que creen (entre ellos A. de Pablos) que la interpretación de esos estudios no es correcta. Cuando se envejece papel en éster natural, el primer paso es una reacción, denominada en química de "trans-esterificación", que lo que hace es que un ácido graso del éster se intercambia con un grupo hidroxilo de la glucosa (azúcar que forma la cadena de celulosa) (véase L. Yanget al., IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 18, 692-700, 2011), para formar un nuevo éster. El problema es que, como A. de Pablos puso de manifiesto durante la Sesión General de CIGRE de 2012, este nuevo éster tiene un peso molecular muy elevado y probablemente no sea soluble del todo en cuprietilendiamina, que es el disolvente utilizado para medir el grado de polimerización del papel envejecido. Esto puede hacer que la viscosidad del papel envejecido en éster natural presente un grado de polimerización aparentemente superior al papel envejecido en aceite mineral.

• Sobre la gelificación del éster vegetal:

La aplicación de los aceites vegetales, más correctamente denominados "ésteres naturales", como aislantes en transformadores presentan varios problemas, el principal es que no pueden emplearse en equipos con respiración abierta a la atmósfera porque el enlace éster no soporta el envejecimiento. Gelifica. Por ello, solo debería utilizarse en transformadores sellados que eviten el contacto del éster con el aire, bien por medio de cubas herméticamente cerradas o por colchones de caucho elásticos en los depósitos conservadores.

• Sobre la viscosidad:

Otro problema es que la viscosidad del éster natural es muy superior a la de los aceites minerales (35-45 mm2/s los ésteres frente a 9 ó 10 mm2/s los aceites minerales), por    lo que no es recomendable, aunque está publicado por fabricantes de ésteres naturales, sustituir el aceite mineral por un éster natural porque habría graves problemas de refrigeración (véase, por ejemplo, R. Ahuja R. M. Del Vecchio, Coloquio CIGRE, Brujas 2007 o D. Juárez et al., IEEE RVP-AI, Acapulco 2009). Un transformador diseñado para contener aceite mineral sólo debe usarse con aceite mineral a no ser que se aumenten los radiadores o el número ventiladores.

• Sobre los límites permitidos para las concentraciones de gases:

Los ésteres naturales, al ser productos naturales, pueden tener muy diferentes composiciones químicas. Desde el punto de vista de los gases que producen, Michel Duval ha estudiado dos de ellos, el Biotemp de ABB y el Envirotemp FR3 de Cooper, y obtiene dos triángulos, parecidos, pero diferentes. El problema es que, en la actualidad, hay muchos ésteres comerciales diferentes fabricados en diferentes países, por ejemplo:

• Midel eN en Inglaterra
• FRDBio en Argentina
• Ambiant en Brasil
• Neugen 1540 en Australia
• VD-100 en México
• EMCO en India
• Bioelectra en España

Cada uno de ellos puede dar una concentración relativa de gases diferente.

Lo que sí es seguro, porque hay motivos de química cuántica para ello, es que todos van a producir grandes cantidades de etano como stray gassing.

Por lo que se piensa que debería ser tarea del fabricante del éster natural el que debería proporcionar una guía con los coeficientes de Ostwald de su producto y los gases que produce según cada tipo de defecto. Lo cual a día de hoy parece una utopía.

En 2009 M. Duval propone nuevas versiones de su triángulo clásico utilizando triángulo de Duval 1 para aceite mineral, triángulo 2 para cambiadores de toma en carga, triángulo 3 para aceites no minerales (esteres naturales o sintéticos) y finalmente los triángulos 4 y 5 para averías de baja temperatura donde la dispersión de dispersión de aceites puede interferir con el diagnostico.

Por lo tanto, M. Duval obtiene los límites en las zonas del triángulo Duval 3 para aceites no minerales que son los mismos que los del triángulo de Duval 1, a excepción de los límites (en C2H4%) entre D1/D2, T1/T2 y T2/T3.

                Los límites para el FR3 son:

D1/D2 = 25, T1/T2 = 43, T2/T3 = 63

                Los límites para el Bio Temp son:

D1/D2 = 20, T1/T2 = 52, T2/T3 = (82),

siendo este último entre paréntesis obtenido por extrapolación, por lo que es necesario verificar.

En 2013, M. Duval propone para el diagnóstico utilizar cuatro gases combustibles (hidrogeno, acetileno, etileno y metano) generados por averías internas en   transformadores y analizar el porcentaje relativo de estos gases en función de los seis tipos de averías (PD, D1, D2, T1, T2 y T3); esto mediante dos técnicas: una consiste en distinguir entre averías basadas en el porcentaje relativo de esos cuatro gases, y la otra, en el uso de combinaciones del porcentaje relativo de dos de los cuatro gases.

Al parecer, actualmente, estas técnicas son las que tienen una precisión del 95 y 96% respectivamente en comparación con otras técnicas y pueden realizar un análisis detallado de los seis tipos de averías internas (PD, D1, D2, T1, T2 y T3) definidos en la norma IEC 60599.

POST EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:

http://www.mediafire.com/file/2z6ny5csrc1wtt9/Debate_sobre_el_%C3%A9ster_vegetal_vs_aceite_mineral_en_transformadores.pdf

POSTS RELACIONADOS:

Ventajas e inconvenientes de los aceites vegetales como dieléctrico y refrigerante de Transformadores

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/08/ventajas-e-inconvenientes-de-los.html

Consideraciones sobre los Aceites de origen vegetal en Transformadores

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/07/consideraciones-sobre-los-aceites-de.html

Necesidad de la direccionalidad en las protecciones de sobreintensidad

Un relé de sobreintensidad direccional funciona a partir de que se alcanza un determinado nivel de corriente, pero solamente si el flujo de potencia ocurre en una dirección dada en el circuito protegido.

Necesidad de la direccionalidad

En circuitos radiales simples con generación en un extremo solamente, es evidente que la corriente de fallo sólo podrá circular en una dirección, sin embargo, en redes malladas o líneas en paralelo, la dirección relativa de la corriente de fallo puede cambiar dependiendo de la ubicación del defecto.

Figura 1: Dirección de la corriente según la ubicación del fallo

En la figura 1 con un defecto situado en “A”, la dirección relativa de la intensidad se indica por las flechas de trazo continuo, y con trazo discontinuo si la falta está localizada en “C”. Es evidente que en ambas situaciones, la corriente desde la barra B1 fluye por las dos líneas en la misma dirección, sin embargo, desde la barra B2 y para cada línea resulta invertida la circulación en uno y otro caso.

Con un fallo en el punto “A” la corriente por los interruptores 3 y 4 será igual y puesto que sus relés estarán ajustados al mismo valor, ambos interruptores desconectarán simultáneamente. El innecesario disparo del interruptor 3 dejará sin servicio a la barra B2. Si las protecciones instaladas en 3 y 4 fueran capaces de “ver” solamente en la dirección de la línea que cada una protege, en la situación planteada, el interruptor 3 no podría disparar y no habría interrupción del servicio, en tanto que el fallo en “A” seria eliminado por los interruptores 2 y 4.

La medida de la dirección

Un relé de sobreintensidad direccional resulta del empleo de dos unidades de medida, una, es un relé convencional de intensidad que solamente puede operar si una segunda unidad (direccional) llega a hacerlo. Por lo tanto la segunda unidad únicamente tiene que medir la dirección sin que le afecte la magnitud del fallo y deberá hacerlo por pequeño que resulte este último.

En tanto que la unidad direccional no cierra su contacto, no se creará acción alguna, sea cual fuere la magnitud de la corriente I.

Para que la unidad direccional resulte muy sensible y opere aún con corrientes de fallo muy pequeñas y en la dirección adecuada, se recurre a estructuras operadoras como la de la figura 2, denominada de copa de inducción. Los avances tecnológicos (sistemas de protección digital, nuevos sensores, selectividad lógica,...) han desplazado a los relés de inducción, facilitando el empleo de las protecciones digitales, que no precisan más que muy poca potencia para poder medir, por lo tanto confieren mayor fiabilidad, precisión, duración, poco coste y reducidas dimensiones (figura 3).

Figura 2: Estructura típica de una unidad direccional de inducción

Figura 3: Relé digital multifuncional SEPAM  2000 (Schneider Electric), que permite la utilización de protecciones direccionales juntamente con la selectividad lógica

Para la determinación del sentido relativo de la circulación de la corriente, cada uno de los elementos (R-S-T) de sobreintensidad direccional de fase, debe disponer de su correspondiente intensidad y de una tensión de polarización que dependerá del elemento protegido por el relé según la tabla siguiente:

Elemento de medida	Magnitudes aplicadas
	Intensidad	Tensión
Fase R	IR	UST
Fase S	IS	UTR
Fase T	IT	URS

Por construcción, la unidad direccional presentará una característica de funcionamiento como la de la figura 4, en función de la relación angular entre la magnitud de polarización y la de operación.

 Figura 4: Característica direccional

La figura 4 ilustra el comportamiento de un relé direccional conectado a la fase R de un sistema trifásico. El ángulo de par máximo (α) (denominado así por la terminología de los relés electromecánicos) se elige por diseño en función de la característica X/R del circuito protegido.

Fallos entre fases

Los relés direccionales para la protección de fallos entre fases se conectan al circuito de intensidad de la fase protegida. El problema será seleccionar la magnitud de polarización y para ello se utiliza la tensión del sistema a partir de transformadores de tensión.

Se utilizan tres combinaciones de la tensión que se exponen a continuación:

Figura 5: Conexiones de relés direccionales de la fase R

En la figura 5 se muestran las conexiones posibles para relé direccional de la fase R, para las fases S y T resultaran otras tantas conexiones de acuerdo con la tabla siguiente:

FASE	INTENSIDAD	TENSIONES
		90º	30º	60º
R	IR	VST	VRT	VRT+VST
S	IS	VTR	VSR	VSR+VTR
T	IT	VRS	VTS	VTS+VTR

El que no se utilicen las tensiones simples para polarizar los relés de fase es porque si ocurriera un fallo próximo a los transformadores de tensión, podría no quedar tensión suficiente disponible para asegurar el funcionamiento de la protección.

Faltas a tierra

Para este propósito se utiliza un único relé conectado en el circuito residual de tres transformadores de intensidad, ya que el fallo a tierra en cualquiera de las tres fases origina la misma corriente homopolar 3 I₀ circulando por ese circuito, figura 6.

Figura 6: Conexión de los relés de fase y tierra

La polarización del relé de tierra puede ser obtenida por la tensión residual 3 V₀  o por la corriente de neutro I_N si está disponible en la instalación. La figura 7 indica la forma de obtener la tensión residual mediante tres transformadores de tensión conectados en estrella y triángulo abierto en el secundario.

Figura 7: Obtención de la tensión para polarizar el relé de tierra

En la figura 7 es evidente que la tensión residual es igual a la suma de las tensiones simples del sistema y por componentes simétricas se tiene:

 Tensión que sólo estará presente en cualquiera de las tres fases, en situación de fallo a tierra.

Es posible igualmente polarizar los relés de tierra a partir de la corriente de neutro obtenida en la puesta a tierra del sistema como se indica en la figura 8.

Figura 8: Polarización del relé de tierra por la corriente de neutro

Esta última solución, naturalmente, sólo es posible si el transformador está situado en la misma instalación que el relé.

POST EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:

http://www.mediafire.com/file/0i3w9w9hmvlqw5h/Necesidad_de_la_direccionalidad.pdf


POSTS RELACIONADOS:

Selectividad Direccional

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2017/03/selectividad-direccional-parte-5.html

La selectividad: Contenido de un estudio de selectividad 

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2017/03/la-selectividad-contenido-de-un-estudio.html

Ensayos generales de relés de protección

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/09/ensayos-generales-de-reles-de-proteccion.html