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Consideraciones sobre las limitaciones de los análisis termográficos

viernes, 14 de septiembre de 2018

Procedimiento para el diseño eléctrico de una Planta Industrial (y Parte 2ª)




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



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.



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