1.3.- 3ª Etapa: Estudios técnicos y validación del esquema
unifilar
En esta etapa de estudio del proyecto, se trata de
validar mediante cálculos la estructura previamente definida.
Es un paso iterativo en el sentido de que algunos
parámetros ya definidos se pueden modificar para satisfacer ciertas condiciones
o disposiciones normativas.
En este caso, los cálculos que dependen de él serán
revisados cada vez en consecuencia.
1.3.1. Cálculo de
corrientes nominales
Sobre la base del balance de potencias del párrafo
1.2.1., Se determinarán las corrientes nominales que pasan por cada canalización,
transformadores y otros elementos de la red.
1.3.2. Elección
de transformadores
La elección de los transformadores se realiza en
función de la potencia máxima que corresponde a la jornada con más carga del
año. Esta potencia es el resultado de un balance de potencias, teniendo en
cuenta los coeficientes de utilización y de simultaneidad (ver § 1.2.1).
Se utiliza un método más preciso para determinar la
potencia del transformador en función de las curvas de carga de la planta y las
curvas de sobrecarga del transformador (consultar IEC 60076-2).
Nota: A veces es interesante
instalar una gama de transformadores de la misma potencia y construcción para
facilitar el mantenimiento y la intercambiabilidad.
1.3.3. Elección
de generadores
La potencia de los generadores vendrá determinada
por la potencia de reemplazo requerida o la potencia que debe ser deslastrada
durante los periodos pico de la distribuidora.
Si
el generador va a estar acoplado permanentemente a la red de distribución
pública, puede ser interesante instalar un generador asíncrono. Ver post: “El
generador asíncrono” en el siguiente link:
1.3.4.
Determinación de la sección de los conductores
El método consiste en:
- calcular la corriente máxima de utilización
- determinar el factor de corrección global
relacionado con el modo de colocación y las condiciones de instalación
- determinar la sección necesaria para el
calentamiento en condiciones normales
- controlar las limitaciones térmicas en caso de
cortocircuito dependiendo del dispositivo de protección
- comprobar la caída de tensión durante el
funcionamiento normal y en el arranque de grandes motores
- comprobar, para baja tensión, las longitudes
máximas de las canalizaciones eléctricas para la protección de las personas
contra contactos indirectos, dependiendo de los dispositivo de protección
- comprobar la resistencia térmica de las pantallas
de los cables durante un defecto fase a tierra en MT
- determinar las condiciones para la puesta a tierra
de las pantallas de los cables de MT
- determinar las secciones de los conductores
neutros, de protección y de equipotencialidad.
La sección a tener en cuenta, es la sección mínima
que verifica todas estas condiciones.
Puede ser útil determinar la sección más económica
basada en un balance económico.
Ver posts:
Diagrama
de elección de la sección de las canalizaciones y del dispositivo de protección
Efectos
de las corrientes de defecto en las pantallas de cables MT
Condiciones
de puesta a tierra de las pantallas de cables de Media Tensión
Criterios
eléctricos determinantes de la sección de conductores
1.3.5. Estudio de
los circuitos de tierra y conexiones a tierra
Los valores de impedancia de los circuitos de tierra
y los terminales de tierra determinan los niveles de sobretensión que pueden
aparecer en los equipos eléctricos.
Ver los siguientes posts:
Sobretensiones
provocadas por los defectos a tierra
Elevación
del potencial de las masas de BT durante un defecto en MT
Consideraciones
sobre la conexión a tierra del neutro de generadores trifásicos
Cuadro
comparativo entre los diversos métodos de conexión a tierra del neutro de
generadores
Puesta
a tierra del neutro en los sistemas de MT
Potenciales
transferidos en los sistemas de puesta a tierra
En particular, es interesante crear zonas
equipotenciales en la parte inferior de la excavación que reducen las
sobretensiones entre el equipo y la tierra.
1.3.6.- Cálculo de corrientes de cortocircuito
La instalación eléctrica debe estar protegida contra
cortocircuitos excepto excepciones, cada vez que exista una discontinuidad
eléctrica, generalmente en los cambios de sección de conductores. La intensidad
de la corriente de cortocircuito se calculará en cada tramo de la instalación
para las diferentes configuraciones posibles de la red; esté cálculo determinará
las características del equipo que debe soportar o debe cortar esta corriente
de falta.
Para seleccionar correctamente los dispositivos de
conmutación (disyuntores o fusibles) y para configurar las funciones de
protección, se deben conocer tres valores de la corriente de cortocircuito:
• El valor eficaz
de la corriente máxima de cortocircuito (cortocircuito trifásico simétrico)
Para determinar:
- la capacidad de corte de disyuntores y fusibles
- el estrés térmico que debe soportar el equipo.
Corresponde a un cortocircuito en las proximidades
de los terminales aguas abajo de la aparamenta de corte. Debe calcularse con un
buen margen de seguridad (valor máximo).
• El valor de
cresta de la corriente máxima de cortocircuito (valor del primer pico del
período transitorio)
Para determinar:
- la potencia de cierre de los interruptores
automáticos y conmutadores
- el comportamiento electrodinámico de las canalizaciones
y el equipo.
• La
corriente mínima de cortocircuito
Es esencial para la elección de la curva de disparo
de los interruptores automáticos y fusibles o el establecimiento de umbrales
máximos de protección, especialmente cuando:
- la longitud de los cables es importante o cuando
la fuente tiene una impedancia interna relativamente alta (generadores o onduladores)
- la protección de las personas se basa en el
funcionamiento de los dispositivos de protección de sobreintensidad de fase,
este es esencialmente el caso en baja tensión para los regímenes de neutro TN o
IT.
La utilización de software de cálculo que cumpla con
la norma IEC 60909 es de gran valor para la velocidad y fiabilidad de los
resultados.
Ver posts:
Redes
de Baja Tensión: Cálculo de corrientes de cortocircuito (Parte 1ª)
Redes
de Baja Tensión: Cálculo de corrientes de cortocircuito (y Parte 2ª)
Etapas
para el cálculo de la corriente de cortocircuito mínima en redes de alta
tensión
1.3.7.- Arranque
de motores
El arranque es un punto delicado en el
funcionamiento de los motores eléctricos. Los dispositivos de arranque deben
poder resolver la mayoría de los casos que se le presentan al diseñador de la
instalación:
- Par resistente elevado
- Punta limitada de intensidad
- Arranques frecuentes.
En el arranque, la impedancia que presenta el motor
es muy baja. Puede dar lugar a una violenta punta de corriente (de 4 a 10 veces
la corriente nominal) si ningún dispositivo en particular llega a limitarlo.
Como la red de suministro nunca es de potencia
infinita, este consumo de corriente puede provocar una caída de tensión en la
red que podría causar molestias a otros usuarios de la red de distribución o en
la propia distribución eléctrica de la planta industrial.
Esta caída de tensión puede también conducir a hacer
trabajar al motor en zonas de funcionamiento prohibidas, dando como resultado
un sobrecalentamiento excesivo, una velocidad muy lenta de la máquina arrastrada,
o una desaceleración y parada del motor bajo tensión.
La potencia de cortocircuito de la red es un
parámetro muy importante. Un motor arranca más rápido, se calienta menos y
causa una caída de voltaje menor si la potencia de cortocircuito en el punto de
conexión del motor es alta. Se puede considerar alto si es mayor que 100 veces
la potencia del motor.
Ver posts:
Arranque
de motores por combinación de contactores (Parte 1ª)
Arranque
de motores por combinación de contactores (y Parte 2ª)
Ventajas
e inconvenientes de los distintos métodos de arranque de motores
Hoja
de cálculo Excel de la caída de tensión en el arranque directo de grandes
motores
Protección
de motores contra arranques demasiado frecuentes (ANSI 66)
Protección
contra arranques demasiado largos y el bloqueo de rotor (ANSI 51 LR/48)
Motores
asíncronos: Curvas de arranque
1.3.8. Estudio de
la estabilidad dinámica de la red
La estabilidad dinámica de una red es la capacidad
de reanudar el funcionamiento normal después de una interrupción repentina.
El estado de la red está determinado por la
distribución de carga y los valores de la corriente y la tensión en estado
estacionario.
Este estado está sujeto a variaciones debido a
fluctuaciones de carga, incidentes eléctricos y cambios de barras. La
modificación gradual o abrupta de uno o más parámetros cambia el estado de la
red. Pudiendo evolucionar hacia un nuevo régimen permanente o su comportamiento
puede volverse inestable. Es imposible para él recuperar un estado estable
aceptable. Esto da como resultado la pérdida de sincronismo en máquinas
síncronas y la desaceleración en motores asíncronos pudiendo llegar hasta su
parada.
Por ejemplo, cuando se produce un cortocircuito en
una red con un número mayor o menor de máquinas síncronas (alternadores y
motores) y máquinas asíncronas (generadores y motores), todas las máquinas se
ven afectadas por este cortocircuito, los motores disminuyen la velocidad, los
generadores se aceleran (los generadores ya no son capaces de proporcionar su
potencia activa sino que permanecen impulsados por turbinas o motores diésel).
Por lo tanto, un estudio de estabilidad consiste en
analizar el comportamiento eléctrico y mecánico de las máquinas entre el
momento en que aparece la perturbación y el momento en que se elimina la
perturbación, la red vuelve o no a las condiciones normales de funcionamiento.
Incluso para una red simple, la cantidad de
parámetros involucrados es demasiado grande para estimar intuitivamente la
influencia de un factor dado y predecir aproximadamente las consecuencias de la
variación de uno de ellos.
El estudio se realiza mediante cálculos
computarizados porque el volumen de los cálculos no permite la resolución
"manual".
1.3.9.
Compensación de energía reactiva
En general, las distribuidoras de electricidad penalizan
financieramente a los consumidores cuyo valor de tg ϕ es elevado.
Por ejemplo, en Francia:
- Los clientes que se suscriben a una potencia mayor
de 250 kVA pagan por energía reactiva más del 40% de la energía activa
consumida (durante ciertos períodos).
- los clientes que se suscriben a una potencia de
entre 36 y 250 kVA pagan una prima fija que depende de la potencia aparente
suscrita. La compensación de energía reactiva reduce la prima fija al disminuir
la potencia aparente suscrita.
Por lo tanto, la compensación de la potencia
reactiva permite ahorrar en la factura de energía.
Además, reduce las pérdidas por
efecto Joule y las caídas de tensión en los conductores y transformadores.
• Búsqueda de la
compensación óptima
Después de calcular la potencia reactiva global que
se instalará, es necesario determinar las ubicaciones óptimas de los
condensadores y el tipo de batería (fija o automática) para obtener el retorno
de inversión más corto posible.
En primer lugar, es necesario determinar el valor de
la potencia reactiva y, si es posible, la curva de carga en los diferentes
lugares con posibilidad de instalar los condensadores. A partir de estas
curvas, se obtiene información sobre las potencias reactivas mínimas, promedio
y máximas obtenidas en estas diferentes ubicaciones.
El modo de compensación depende del valor de la
potencia reactiva mínima consumida por la instalación comparada con la potencia
total a instalar.
Caso donde la potencia reactiva mínima consumida por
la instalación es mayor que la potencia de compensación prevista
La compensación puede ser global porque no existe
riesgo de sobrecompensación en el funcionamiento normal, lo que causaría un
aumento anormal de la tensión.
Sin embargo, durante las paradas de la instalación,
los condensadores deben desconectarse para no causar sobretensiones permanentes
en la red pública de distribución, debido a una sobrecompensación.
Caso donde la potencia reactiva mínima consumida por
la instalación es menor que la potencia de compensación prevista
Cuando la potencia reactiva consumida es mínima, con
una compensación global habría una sobrecompensación que causaría un aumento
anormal de la tensión. Por ejemplo, la sobrecompensación en los terminales de
un transformador no debe exceder del 15% de su potencia nominal.
Para evitar una sobrecompensación, se puede:
- Instalar una batería escalonada con regulación
automática que permita seguir la curva de carga
- Instalar en la cabecera de la instalación una
compensación igual a la potencia mínima consumida y compensar localmente los
receptores o los sectores con fuerte consumo de potencia reactiva, en la medida
en que el control de los condensadores este supeditado al receptor o a la red
eléctrica.
- en el caso de una instalación que contiene varios
transformadores MT/BT, se transfiere parte de la compensación de un
transformador a otro.
Criterios de elección
La compensación puede ser:
- realizada en MT y / o BT; es más económico
instalar condensadores de media tensión para potencias aproximadamente
superiores a 800 kVAr.
- global, por sectores, individuales.
- realizada con baterías fijas o en escalones
automáticamente maniobrables; en el caso de que
se elija baterías escalonadas, es recomendable
instalar pasos de diferentes potencias para obtener un mejor ajuste. Por
ejemplo, con escalones de 800, 400, 200 y 100 kVAr, pueden obtenerse todas las
potencias de 0 a 1500 kVAr por pasos de 100 kVAr.
Para determinar la solución óptima, se deben tener
en cuenta los siguientes criterios:
- eliminación de los costes de energía reactiva o
disminución de la potencia contratada
- disminución de las pérdidas Joule en los conductores
y transformadores
- tensión regularizada en todos los puntos de la
instalación
- costes de inversión, de la instalación y de mantenimiento
de cada solución.
• Conexión de
bancos de condensadores y sus protecciones
La conexión de los bancos de condensadores provoca
sobreintensidades y sobretensiones significativas en la red. Estas deben
tenerse en cuenta para elegir adecuadamente los aparatos de maniobra de los condensadores
y sus protecciones (especialmente en MT).
Ver posts:
Efectos
producidos en la desconexión de corrientes capacitivas
Transitorios
en las maniobras de circuitos eléctricos
Consecuencias
de la circulación de energía reactiva en los equipos eléctricos
Protección
de baterías de Condensadores
• Problemas
relacionados con los condensadores en presencia de armónicos
En presencia de armónicos, la instalación de
condensadores puede causar una amplificación de corrientes y tensiones
armónicas y los problemas resultantes.
En este caso, es necesario un estudio particular.
Ver posts:
Cálculo
de baterías de condensadores en redes con armónicos
Influencia
de los condensadores en redes con armónicos
Diferencia
entre factor de potencia y cos ϕ
1.3.10. Estudio
de armónicos
Los receptores no lineales, como hornos de arco, iluminación,
convertidores, rectificadores, ... absorben corrientes no sinusoidales que atraviesan
las impedancias de la red y causan la deformación de la sinusoide de la tensión
de alimentación. La distorsión de la forma de onda se caracteriza por la
aparición de frecuencias armónicas de tensión.
Las perturbaciones generalmente observadas son:
- calentamiento o avería de condensadores
- calentamiento de motores y transformadores
- mal funcionamiento de los reguladores,
convertidores, controladores permanentes de aislamiento, relés de protección,
etc.
El objetivo de un estudio de armónicos es definir
los medios para reducir las perturbaciones a niveles aceptables:
- para el equipo de planta, una tasa de distorsión
global < 5 a 10%
- para la red de distribución pública
Ver
post:
“Umbrales críticos de distorsión armónica en instalaciones eléctricas” en
el siguiente link:
Los medios generalmente utilizados son:
- instalación de bancos de condensadores con
inductancias antiarmónicos que reducen los fenómenos de resonancia entre los
condensadores y la inductancia del suministro.
- instalación de filtros shunt que reducen las tensiones
armónicas "atrapando" las corrientes armónicas
- aumentando
la potencia de cortocircuito al nivel de las cargas perturbadoras
- alejando los circuitos con cargas perturbadoras de
los circuitos con equipos sensibles
- instalación de filtros activos
- confinamiento de armónicos.
Un estudio de armónicos generalmente es necesario en
presencia de condensadores que amplifican la tasa de distorsión por el fenómeno
de resonancia.
El estudio de los armónicos consiste en:
- determinar los armónicos de tensión preexistentes
en la fuente de alimentación
- definir las potencias y valores de armónicos de
las corrientes para cada receptor no lineal
- calcular las tasas de distorsión de tensión en
diferentes puntos de la instalación y para todas las configuraciones de la red
posibles
- simular las soluciones previstas en el caso de
exceder los límites aceptables por el equipo o la red de distribución pública.
Ver posts relacionados:
Cuadro
resumen de los efectos de los armónicos en la aparamenta eléctrica
Hoja
de cálculo de frecuencias de resonancia en baterías de condensadores
Efectos
de los armónicos en motores
Filtros
activos, solución para mejorar la calidad de las redes eléctricas
1.3.11.
Coordinación del aislamiento en una instalación eléctrica industrial
La coordinación del aislamiento de una instalación
consiste en determinar las características de aislamiento necesarias para los
distintos componentes de la red, con el fin de obtener una resistencia uniforme
a las tensiones normales, así como a las diversas sobretensiones.
Su objetivo final es permitir una distribución
segura y optimizada de la energía eléctrica.
Esta optimización permite encontrar la mejor
relación económica entre los diferentes parámetros según esta coordinación:
- coste del aislamiento del equipo
- coste de protecciones contra sobretensiones
- coste de faltas (pérdida de producción y
destrucción de equipos), teniendo en cuenta su probabilidad de ocurrencia.
Dado que el coste de sobre aislamiento del equipo es
muy alto, no se puede dimensionar para resistir las solicitaciones de todos los
tipos de sobretensiones.
Franquear los efectos nocivos de las sobretensiones
supone un primer paso que consiste en abordar sus fenómenos generadores, lo que
no siempre es evidente. De hecho, las sobretensiones de maniobra, mediante
técnicas de corte apropiadas, pueden limitarse, es imposible evitar la descarga directa o indirecta
de los rayos.
Reducir los riesgos de sobretensiones y, en
consecuencia, el peligro que representan para las personas y el equipo, es aún
mejor si se respetan ciertas medidas de protección:
- limitación de las resistencias de puesta a tierra
de la subestación para la reducción de las sobretensiones en caso de una falta
a tierra
- reducción de las sobretensiones de maniobra
mediante la elección de los dispositivos de corte apropiados
- Drenaje de los rayos mediante un primer nivel (pararrayos
o autoválvulas en la entrada de las subestaciones) con limitación de la
resistencia de tierra y las impedancias de torres y pórticos.
- limitación de la tensión residual, en un primer nivel
con autoválvulas de AT, transmitida a la red aguas abajo, y proporcionando un
segundo nivel de protección en el secundario del/o los transformador/es.
- protección de equipos de BT sensibles
(informática, telecomunicaciones, automatización, etc.) asociándolos con
filtros en serie y / o protectores contra sobretensiones.
Posts relacionados:
Coordinación
del aislamiento: Sobretensiones atmosféricas
Sobretensiones
de maniobra
http://imseingenieria.blogspot.com/2015/09/sobretensiones-de-maniobra.html
Elección
de autoválvulas de Óxido de Zinc (ZnO) en líneas de Alta Tensión
Cuadro resumen de perturbaciones en las redes y
soluciones para limitarlas
1.3.12. Estudio
de la seguridad de funcionamiento
Debido al aumento de los costes debidos la pérdida
de la alimentación eléctrica, los diseñadores y operadores de sistemas eléctricos
deben contar con un conjunto de métodos cualitativos y cuantitativos para
evaluar la seguridad de las instalaciones.
A nivel de proyecto, es importante tener métodos
para:
- evaluar la seguridad de funcionamiento para
cumplir con el pliego de condiciones
- elegir soluciones adaptadas
- lograr la continuidad del servicio a un coste
mínimo
- definir la política óptima de mantenimiento.
Nota:
Schneider Electric ha desarrollado dos paquetes de
software para realizar estudios de la seguridad de funcionamiento:
• Adelia
Es un sistema experto capaz de construir el árbol de
faltas de una red eléctrica a partir del esquema y hacer análisis cualitativos
y cuantitativos.
• Micro
Markov
Es un software que determina la confiabilidad de una
red eléctrica por el método de los gráficos de Markov.
El estudio de la seguridad de funcionamiento en un
sistema eléctrico permite:
- cuantificar la continuidad del servicio calculando
la indisponibilidad
- cuantificar el riesgo de la pérdida de producción
(en comparación con los costes de inversión).
1.4. – 4ª Etapa:
Elección del material
La estructura de red elegida y validada, y el equipo
eléctrico previsto debe satisfacer.
• Las normas
y reglamentos vigentes
• Las
características de la red
Estos incluyen:
- tensiones de servicio que deben ser compatibles
con la tensión más elevada para el material
- Es probable que aparezcan sobretensiones en la red
que deben ser compatibles con las tensiones de aislamiento del material (a la
frecuencia industrial, a la onda de choque tipo maniobra y tipo rayo)
- corrientes nominales
- corrientes de cortocircuito que deben ser
compatibles con el poder de corte, el poder de cierre, la resistencia térmica y
electrodinámica del material.
• Las funciones
asociadas con cada equipo
- Corte en cortocircuito (disyuntores, fusibles)
- maniobras en régimen nominal (interruptores)
- maniobras frecuentes (contactores ...)
- maniobras sin carga (seccionadores).
• Las exigencias
de la continuidad del servicio
Lo que determina la elección del tipo de material:
- aparamenta fija
- aparamenta extraíble para un fácil mantenimiento o
sustitución.
• La cualificación
del personal
El nivel de cualificación de los técnicos de explotación
y mantenimiento determina:
- la necesidad o no de enclavamientos y asesoramiento
para evitar falsas maniobras
- la elección de un material con o sin
mantenimiento.
• Requisitos para
futuras ampliaciones
Estos requisitos determinarán las reservas que se deben
prever y pueden conducir a la elección de equipos modulares.
1.5.- 5ª Etapa:
Establecer del plan de protección
El papel fundamental de las protecciones de una instalación
eléctrica industrial es garantizar la seguridad de las personas y los bienes y
mejorar la continuidad del suministro de energía a los receptores.
El funcionamiento normal de una instalación puede
verse afectado por una serie de incidentes:
- sobrecargas
- cortocircuitos
- falsas maniobras
- deterioro del aislamiento.
El papel de las protecciones es evitar las
consecuencias de estos incidentes, al permitir:
- limitar el estrés térmico y mecánico al que están
sometidos los materiales
- preservar la estabilidad de la red
- reducir la duración de las perturbaciones
electromagnéticas causadas a los circuitos vecinos.
El sistema de protección es un conjunto coherente dependiente
de la estructura de la red y del esquema de conexión a tierra. Debe garantizar
la selectividad mediante el aislamiento lo más rápido posible de la parte de la
red defectuosa preservando las partes sanas.
1.6.- 6ª Etapa:
Elección de un sistema de control y mando
Las instalaciones industriales requieren una gestión
óptima de su red eléctrica para garantizar su disponibilidad y reducir la
facturación de energía.
Un sistema de control y mando permite la
optimización de esta gestión gracias a las funciones de automatización tales
como:
- transferencia de fuentes
- reconfiguración de bucle
- deslastre de cargas
- programación horaria o tarifaria
- gestión de los grupos de producción internos ...
También hace posible monitorear el estado de la red
eléctrica, controlar el equipo de forma remota y planificar las operaciones de
mantenimiento.
• Operar la red a
distancia
El control remoto de la red permite al personal
operario:
- visualizar el estado de la red eléctrica
- supervisar las diversas medidas
- efectuar el control remoto
- estar informado de los incidentes que ocurren en
la instalación eléctrica.
• Mejorar la
eficacia y rapidez del diagnóstico y la intervención en la red
La eficacia y rapidez de diagnóstico e intervención
en la red se mejoran gracias a la integración de las siguientes funciones:
- gestión de los automatismos de deslastre de carga
y transferencia de fuentes
- gestión de automatismos de reaceleración de
motores de media tensión
- gestión de grupos de producción internos
- cronología fina
- osciloperturbografía.
• Optimizar el
coste de la energía
El coste de la energía eléctrica se optimiza gracias
a las siguientes funciones:
- programación tarifaria
- programación horaria
- gestión de grupos de producción internos
- compensación de la energía reactiva
- contaje y sub-contaje de energía.
• Optimizar el
mantenimiento
Contabilizar el número de operaciones realizadas por
los aparatos de corte y el número de horas de funcionamiento permite optimizar
las operaciones de mantenimiento.
Nota:
Este post continúa con el título: “Ejemplo de diseño eléctrico de una planta industrial” en el siguiente link:
https://imseingenieria.blogspot.com/2018/11/ejemplo-de-diseno-electrico-de-una.html
https://imseingenieria.blogspot.com/2018/11/ejemplo-de-diseno-electrico-de-una.html
FUENTE:
Schneider Electric: Guide de
conception des réseaux électriques industriels (Christophe Prévé, Robert
Jeannot)
Nota:
Los posts insertados en el texto no corresponden a la FUENTE indicada.
Los posts insertados en el texto no corresponden a la FUENTE indicada.
Excelente, muchas gracias.
ResponderEliminar