Cuaderno Técnico nº 169 - catedras.facet.unt.edu.ar · redes eléctricas, protecciones, control y...

Cuaderno Técnico nº 169

El diseño de redes industriales en AT

Georges THOMASSET

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones, lossistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

Puede accederse a estas publicaciones en Internet:

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Advertencia

Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilización de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no serán responsables de eventuales errores u omisiones, ni de lasconsecuencias de la aplicación de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edición.

La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 169 de Schneider Electric».

Cuaderno Técnico n o 169

Georges THOMASSET

Diplomado ingeniero por el Institutd'Electrotechnique de Grenoble (IEG) en 1971.

Posteriormente, llevó a cabo estudios de diseñode redes industriales complejas en la DirecciónTécnica de Merlin Gerin.

Después de haber dirigido la oficina técnica deestudios de «distribución pública en MT einstalaciones hidroeléctricas», desde 1984 es elresponsable del servicio técnico de la unidadindustrial del Departamento de realización deconjuntos.


Trad.: J.M. Giró

Original francés: octubre 1993

Versión española: junio 2001

Cuaderno Técnico Schneider n° 169 / p. 4

Flicker: «parpadeo» o fluctuaciones periódicasde una fuente luminosa.

AT-A y AT-B: categorías de MT definidas por eldecreto francés de 14 de noviembre de 1988.

Nota:

Los valores de las tensiones alternas de más de1000 V son objeto de múltiples decretos, normasy especificaciones particulares, como las de lascompañías suministradoras:

n El decreto francés de 14 de noviembre de1988, define dos valores de tensión:

AT-A = 1 kV < U ≤ 50 kV,AT-B = U > 50 kV.

n El CENELEC (Comité Europeo deNormalización Electrotécnica) en su circular de27 de julio de 1992, precisa:

MT = 1 kV < U ≤ 35 kV,AT = U > 35 kV.

n La publicación CEI 71 precisa dos escalas detensiones más elevadas para el material:

gama A = 1 kV < U < 52 kV,gama B = 52 kV ≤ U < 300 kV,gama C = U ≥ 300 kV.

Una revisión pendiente, deja sólo dos escalas:

gama I = 1 kV < U ≤ 245 kV,gama II = U ≥ 245 kV.

n La empresa suministradora nacional deFrancia, EDF, utiliza actualmente la clasificacióndel decreto antes citado.

Terminología

Plan de protección de una red: organizacióngeneral de las protecciones de una red queabarca: el sistema de protección utilizado, laelección de la aparamenta y todos sus ajustes.

Receptor o carga «sensible»: aquél que nosoporta en modo alguno los cortes de tensión.

Red privada: red eléctrica que alimenta uno ovarios emplazamientos (factorías o fábricas) quenormalmente pertenecen a un mismo propietario.

Red pública: red eléctrica que pertenece aldistribuidor nacional o local de energía quealimenta a varios usuarios o consumidoresindependientes.

Estabilidad dinámica de una red: cualidadque posee una red con varias máquinassíncronas para volver a su funcionamientonormal después de una perturbación brusca queprovoca una modificación de su configuración:transitoria (cortocircuito) o definitiva(desconexión de una línea).

Estructura de una red: planificación delconjunto de la red, normalmente representada enforma de esquema unifilar, en la que se indica laposición relativa (interconexiones, separación decircuitos, ...) de las diversas fuentes dealimentación y de los consumidores.

Factoría: conjunto (en un único emplazamiento)de varios consumidores de energía.



Sometidos a una competencia cada vez más dura, los industriales deben de sersumamente exigentes en la gestión y tener una gran disponibilidad de susherramientas de producción.

Las redes eléctricas suministran la energía necesaria para cualquier herramientade producción. La disponibilidad de la energía para la alimentación de losreceptores la buscan los diseñadores de redes, desde que escogen los primerosesquemas unifilares de la red.

La disponibilidad de la energía es la primera exigencia de los diseñadores de redesdesde que éstos empiezan a estructurar los primeros esquemas unifilares de la red.

Las condiciones esenciales de rentabilidad son precisamente la reducción decostes de montaje y de explotación de las instalaciones eléctricas, juntamente consu funcionamiento seguro y sin fallos. Esta optimización técnico-económicadepende de un análisis previo, detallado y global:

n de las necesidades y exigencias específicas, según el tipo de industria de quese trate,

n de la integración de las limitaciones y solicitaciones de las redes de distribuciónpública,

n de las normas y costumbres locales,

n de las especificaciones del personal de explotación y mantenimiento.

El presente texto se limita a los estudios de diseño de las instalaciones industrialesde alta tensión (AT-A y AT-B) de gran potencia que tengan como característicasespeciales:

n de potencia instalada del orden de 10 MVA,

n con producción autónoma (eventual) de energía eléctrica,

n alimentadas desde redes de distribución nacional de transporte o distribución(≥ 20 kV),

n con distribución privada en MT.

1 Necesidades y principales exigencias a satisfacer p. 6

2 Principales reglas de diseño de redes industriales p. 10

3 Validación y optimización técnico-económica p. 13

4 Elección de la estructura y explotación óptica de las redes p. 20

5 Conclusión p. 27

Anexo 1: Ampliación de una red industrial ya existente p. 28

Anexo 2: Medios informáticos utilizados para los estudios de redes p. 29

Anexo 3: Principio general de compensación p. 30

Anexo 4: Elección del esquema de conexión a tierra para una red industrial MT p. 31

Anexo 5: Caída de tensión en una red (expresión matemática y diagrama vectorial) p. 32

Anexo 6: Etapas del diseño de una red industrial p. 33

Anexo 7: Bibliografía p. 34


1 Necesidades y principales exigencias a satisfacer

Las redes eléctricas industriales deben deasegurar, con el coste óptimo de inversión, deexplotación y de pérdidas de producción, laalimentación de todos los receptores de unafactoría, teniendo en cuenta:

n las necesidades a cubrir en cuanto a:

o seguridad de las personas,

o seguridad de los bienes,

o continuidad de los bienes,

o facilidad de explotación de la red,

o coste mínimo de instalación,

o optimización de la energía eléctrica(coste/calidad),

o evolución y ampliaciones futuras de la red,

o renovación de la red.

n las prestaciones que se exigen a la red,según:

o los procesos industriales,

o los procesos eléctricos,

o el distribuidor de energía,

o el clima y posición geográfica de la zona,

o las normas, prescripciones y costumbreslocales.

Es evidente que todas las necesidades no sepodrán satisfacer de manera óptima: eldiseñador debe de buscar el mejor compromiso.

La seguridad de las personasAunque las normas no existen en todos lospaíses, conviene respetar ciertos criteriosevidentes:

n imposibilidad de acceso a las partes contensión (protección contra contactos directos),

n sistema de protección contra la elevación detensión de las masas metálicas (proteccióncontra contactos indirectos),

n prohibición de maniobrar los seccionadoresde línea con carga,

n imposibilidad de conexión a tierra con tensión,

n eliminación rápida de los defectos.

La seguridad de los bienesLas instalaciones eléctricas no deben de estarsometidas a esfuerzos que no podrán soportar.Por tanto, es de capital importancia la elección demateriales y equipos. Para evitar los incendios ylimitar los efectos destructivos de la energíaeléctrica, hay que prestar especial atención a dosmagnitudes eléctricas:

n las sobreintensidades (cortocircuitos ysobrecargas),

n las sobretensiones.

Las soluciones que se adopten deben deasegurar, por lo menos:

n la eliminación del defecto y la continuidad dela alimentación en las partes sanas de la red(selectividad),

n el proporcionar las informaciones necesariassobre la naturaleza del defecto inicial para unaintervención eficaz.

La continuidad de la alimentación de losreceptoresLa continuidad de la alimentación de losreceptores es necesaria por las siguientesrazones:

n seguridad de las personas, por ejemplo,alumbrado,

n mantenimiento de la herramienta deproducción, por ejemplo, estiradora de vidrio,

n productividad,

n confort de la explotación, por ejemplo, procesosimplificado de rearranque de una máquina, de untaller.

Según las exigencias de funcionamiento, losreceptores se clasifican en tres familias:

n los receptores «ordinarios»,

n los receptores «esenciales»,

n los receptores «críticos», que son los que nosoportan ningún tipo de corte.

La facilidad de la explotación de la redPara cumplir con sus objetivos con seguridad yfiabilidad, los explotadores de las redes debende tener a su disposición:

n una red fácil de manipular, para poder actuarcon seguridad (sin duda o ambigüedad) en casode incidente o maniobra,

1.1 Las necesidades a satisfacer


n aparatos y equipos suficientementedimensionados, que requieran pocomantenimiento y sean fáciles de reparar(mantenibilidad),

n medios de mando y control adecuados quefaciliten la gestión de la red con unacentralización en tiempo real y en un único lugarde todas las informaciones relativas al estadodel «proceso eléctrico» en régimen normal yperturbado.

El coste mínimo de la instalación eléctricaEl coste mínimo de la instalación eléctrica no esnecesariamente la búsqueda del coste mínimoinicial, sino la suma de tres costes:

n el coste de la inversión inicial,

n los costes de explotación y mantenimiento,

n los costes de las pérdidas de produccióndebidas al diseño y al plan de protección de lared (sistema de protección utilizado, elección dela aparamenta y de los ajustes).

La optimización de la energía eléctricaCuando una factoría tiene generadores deenergía eléctrica, es necesario gestionar de lamejor forma posible la energía proporcionadapor el suministrador y la producida localmente.

Un sistema de mando y control puede optimizarel coste de la energía consumida en la fábricaen función de:

n el contrato suscrito con el suministrador(tarificación según el instante, la hora, el día o laestación del año),

n la disponibilidad de los generadores de lafábrica,

n los imperativos del proceso industrial.

La evolución y ampliaciones posteriores dela red

Desde el diseño de una red industrial, es posibleprever, si se trabaja con el mayor esmero, laevolución futura de la factoría y, sobre todo, lasposibles ampliaciones.

Hay que tener en cuenta las posibles y futurasmodificaciones:

n en el dimensionamiento de los órganosprincipales de alimentación (cables,transformadores, aparamenta de corte),

n en el diseño del esquema de distribución,

n y en el cálculo de las superficies reservadasa los locales de uso eléctrico.

Esta anticipación lleva a una flexibilidad mejor dela gestión de la energía.

La renovación de las redes

Los consumidores de energía eléctrica amplíansus instalaciones utilizando cada vez mayorextensión para los nuevos procesos defabricación y además las nuevas máquinassiempre son más potentes. Por tanto, sonnecesarias renovaciones y reestructuracionesde la red.

El estudio de renovación de una red debe dehacerse con más cuidado que el de una rednueva, porque se presentan nuevas condicionesy exigencias, especialmente:

n la resistencia electrodinámica y dieléctrica deciertos aparatos o equipos existentes puede serinsuficiente,

n se necesita una mayor capacidad paraalimentar grandes receptores (corriente dearranque, estabilidad dinámica, ...),

n la superficie y altura de los locales eléctricosexistentes que puede ser no modificable,

n la situación geográfica de equipos yreceptores puede venir impuesta.

Ejemplo de renovación con la adición de un nuevotransformador: la instalación de una reactanciatrifásica entre la instalación vieja y el nuevotransformador permite que no aumente enexceso la corriente de cortocircuito y, por tanto,conservar los equipos existentes (anexo 1).

La calidad de los estudiosLos estudios de diseño y de los detalles debende llevarse a cabo con método y rigor. Así, laobtención de la certificación ISO 9001 obliga adefinir procedimientos que describen las etapasesenciales de los estudios de diseño deconjunto y de detalle con el objetivo de controlary satisfacer mejor las necesidades del cliente.

El Departamento de Realización de conjuntos deMerlin Gerin obtuvo la certificación ISO 9001en 1992.


Exigencias relacionadas con el procesoindustrialAdemás de la necesidad esencial de continuidadde suministro para ciertos procesos industriales,estos mismos procesos exigen también:

n alimentación y, sobre todo, arranque demotores muy grandes que arrastran moledoras,machacadoras, ventiladores, bombas, cintastransportadoras (causa principal de caídas detensión importantes durante el arranque),

n alimentación de hornos de arco cuyo arco,frecuentemente inestable, provoca caídas detensión no equilibradas, breves pero repetitivas(que por tanto provocan el «flicker» o parpadeodel alumbrado) y que pueden producir armónicos,

n alimentación de dispositivos electrónicos degran potencia (rectificadores, tiristores, ...) queproducen en la red deformaciones importantesde la onda de tensión (armónicos) y empeoran elfactor de potencia; es el caso de las cadenas deelectrólisis, hornos eléctricos de corrientecontinua y motores de velocidad variable.

Además, ciertos procesos industriales perturbanel entorno: producen sustancias (polvo, gas) aveces corrosivas, que pueden bloquear losmecanismos o reducir las prestaciones de losaparatos eléctricos (por ejemplo, rigidezdieléctrica) o incluso provocar explosiones siaparecen arcos eléctricos.

Exigencias relacionadas con el procesoeléctricoA lo largo del estudio hay que tener en cuentalas diversas condiciones «electrotécnicas» queha de satisfacer cualquier red eléctrica, y enespecial:

n limitación de la intensidad de corriente decortocircuito y de su duración,

n arranque o rearranque de grandes motoressin bajada de tensión excesiva,

n estabilidad de los alternadores después de unincidente.

Exigencias relacionadas con la red públicade distribución eléctrican potencia de cortocircuito

El valor de la potencia de cortocircuito de la redaguas arriba que alimenta la red privada es unelemento decisivo en la elección:

o de la estructura de la red privada dedistribución,

o de la potencia máxima de los receptores,

o de ciertos receptores sensibles a las caídasde tensión.

1.2 Exigencias principales

n el esquema de conexión a tierra (régimen deneutro) de la red pública suele ser conservado enla red privada, pero, a veces, no es compatiblecon ciertos receptores. Entonces hay que crearuna red particular con:

o un tipo de protección eléctrica contradefectos fase/tierra,

o un modo particular de explotación de la red(en caso de régimen IT, búsqueda y eliminacióndel defecto por el personal de explotación).

n microcortes o bajadas importantes ytransitorias de la tensión mono o polifásica.

La presencia de tales fenómenos puedeprovocar perturbaciones y hasta la destrucciónde máquinas. Puede producir:

o errores de funcionamiento y/o pérdida dedatos en los sistemas informáticos de procesosindustriales (CPU, autómatas industriales, ...) degestión o de cálculos científicos,

o destrucción mecánica de un motor, de suacoplamiento mecánico o de la máquinaarrastrada. Esto se produce después de unmicrocorte (realimentación de motores todavía enmovimiento) puesto que la reconexión puedehacerse en oposición de fase entre la tensión dered y la tensión residual generada por el motor; lacorriente absorbida entonces por el motor es muyimportante, de 4 a 15 veces la corriente nominal yproduce esfuerzos electrodinámicos excesivos.

n sobretensiones de origen externo, enespecial, descargas o caídas de rayo(Cuaderno Técnico nº 168),

n valor y calidad de la tensión de alimentación.

o el valor de la tensión de alimentacióndetermina en parte la organización de la redprivada. En efecto, si la alimentación se realizaen AT, puede ser interesante mantener estevalor de tensión para la distribución principal deuna fábrica,

o la calidad de la alimentación

Diversas variaciones de tensión puedenperjudicar y hasta impedir el buenfuncionamiento de los equipos de producción. Latabla de la figura 1 presenta estos defectos,sus causas y consecuencias, así como susprincipales remedios.

Nota:En cuanto a la calidad de la alimentación, lasvariaciones de frecuencia tolerables está en± 2% y la tasa de armónicos de tensión ha deser menor del 3%.

Para valorar la calidad de la energía eléctricasuministrada y si es necesario aumentarla, un


gran distribuidor nacional europeo ha instaladomás de 2000 aparatos registradores en laalimentación de grandes zonas industriales.

Estos aparatos miden:

n tensiones e intensidades eficaces,

n potencias activas y reactivas,

n cortes, breves y largos,

n bajadas de tensión,

n tensiones e intensidades armónicas,

n desequilibrio de tensión.

Además se detectaron señales de telemando de175 y 188 Hz.

Exigencias climáticas y geográficas

Para definir mejor las características de losequipos y aparatos, según los tipos deinstalación, hay que conocer:

n temperaturas diarias medias y máximas,

n tasa de humedad a temperatura máxima,

n velocidad máxima del viento,

n presencia de escarcha, hielo y viento conarena,

n entorno (atmósfera corrosiva o riesgo deexplosión),

n altitud,

n nivel ceráunico de la región (frecuencia decaídas de rayo),

n dificultades de acceso (para el transporte demateriales pero también para el mantenimiento).

Respeto a las normas y usos localesEn este aspecto, hay que saber concretamente:

n las normas nacionales e internacionales de laaparamenta e instalación,

n la reglamentación y prescripcionesespeciales del complejo industrial,

n los usos locales.

Variaciones tensión Algún % 5 a 25% 5 a 25% 100%

Duración 1/100 a 1s 0,5 a 20 s 20 s a 1 hora 0,1 a 0,3 s ó 10 a 30 s

Periodicidad SÍ NO NO NO

Causas n existencia horno n arranque de n ausencia de n sistema deeléctrico de arco grandes motores regulación de la reenganche rápido

n defecto mono o tensión en los CT y/o lento de laspolifásico líneas AT

Consecuencias n variación de la n riesgo de n sobrecarga de n suspensión momentánealuminosidad de inestabilidad de motores de la alimentación deincandescencia la red n riesgo importante todos los receptores(flicker) de inestabilidad de

la red

Principales remedios n utilizar n adaptar el modo n equipar los n prever interruptorescompensadores de arranque transformadores automáticos shuntestáticos de n aumentar la con reguladoresenergía reactiva rapidez del plan en carga

de protección

Fig. 1: Las variaciones de tensión, sus causas, consecuencias y principales remedios.


2 Principales reglas de diseño de redes industriales

El objeto de este capítulo es explicar cómoaplicar al diseño de redes industriales elconjunto de obligaciones (necesidades yexigencias) descritas en el capítulo anterior.

Puesto que las fábricas están pensadas paratrabajar de forma continuada, desde el principiodel estudio debe de evaluarse cualquierinterrupción de la energía eléctrica y sopesarsus consecuencias, para tomar las medidasoportunas.

El método propuesto en este capítulo tiene dosfases:

1- la búsqueda del equilibrio técnico entre lasnecesidades y las exigencias (capítulo 1),

2- la optimización técnico-económica medianteel uso correcto de ciertos cálculos y losconceptos desarrollados a continuación.

El anexo 2 da una lista, no exhaustiva, de losprincipales programas de cálculo utilizados porlos ingenieros especialistas en el estudio de redes.

2.1 Equilibrio de potencias, coeficientes de utilización y simultaneidad

Es la primera etapa esencial del estudio deldiseño de una red.

Debe de acotar y localizar geográficamente losvalores de las potencias.

Equilibro de potenciasHay que:

n distinguir las potencias activas, reactivas yaparentes,

n agrupar las potencias por zonas geográficas(de 3 a 8 zonas) según la extensión delemplazamiento,

n identificar por zonas los receptores«ordinarios», «esenciales» y «críticos»

Coeficientes de utilización y desimultaneidad (figura 2 )

Fig. 2: Orden de magnitud de los coeficientes deutilización y simultaneidad.

motores alumbrado tomas decalefacción corriente

coeficiente de 0.75 1 (**)utilización

coeficiente de 0.70 1 0.1 a 0.3simultaneidad

* Depende del proceso** depende de su destino

La elección de tensiones se determina por lafunción a realizar: transporte, distribución outilización. Así, en AT, la tensión de distribuciónno es necesariamente idéntica a la tensión deutilización, por ejemplo, en una fábrica la tensiónde 20 kV puede ser perfecta para la distribución,

2.2 Elección de tensiones

debido a las potencias y distancias de lostalleres respecto al centro de transformaciónprincipal, y sin embargo, la potencia de sus diezgrandes motores obliga a utilizar 6,6 kV para sualimentación.


Normalmente, el distribuidor local de energía, enel punto de enganche del abonado, obliga atrabajar con un factor de potencia (cos ϕ) mejorque uno prefijado.

La compensación de la energía reactiva, quesuele ser necesaria para satisfacer estaexigencia, puede hacerse:

n en la subestación (o cuadro general):compensación global ,

n en los receptores: compensación repartida .

El principio general de compensación concondensadores se explica en el anexo 3.

2.3 Compensación de la energía reactiva

Nota:

Una compensación excesiva con baterías decondensadores fijas puede provocarsobretensiones. Un caso particular es laautoexcitación de las máquinas asíncronas: loscondensadores asociados a un motor asíncrono(compensación repartida) pueden dar lugar asobretensiones muy importantes al cortarse laalimentación. Este fenómeno puede producirsepara una compensación superior al 90% de lacorriente magnetizante, corriente poco diferentede la corriente de vacío del motor.

La instalación de una fuente de seguridad sehace para la protección de personas (normas ytextos legislativos), por ejemplo, para elbalizamiento de las vías de evacuación.

2.4 Fuentes de seguridad y de sustitución

La instalación de una fuente de sustitución selleva a cabo para mantener en servicio loselementos de producción o para disponer de unamayor flexibilidad de explotación.

Una factoría puede dotarse de mediosautónomos de producción de energía eléctricapara alimentar los receptores «críticos», porrazones tarifarias o porque los procesos defabricación de la propia factoría producenenergía excedentaria (mecánica o térmica), porejemplo, en forma de vapor.

Si la red pública tiene una potencia decortocircuito y una calidad de tensión yfrecuencia suficientes, es preferible hacerfuncionar en paralelo las fuentes autónomas y lared pública, porque ésta ayuda a estabilizar elcomportamiento de los alternadores de lafactoría (tensión y velocidad). En estos casos,hay que prever un sistema de reparto de las

2.5 Producción autónoma de energía eléctrica

potencias activa y reactiva entre los diversosalternadores y la red pública.

Al producirse incidentes eléctricos graves en lared privada, o en la red pública pero cerca de lafábrica, pueden aparecer fenómenos deinestabilidad. En estos casos puede sernecesario proceder a una separación(extremadamente corta, del orden de 0,2segundos) de la red pública (isla de circuitosalimentados por los alternadores) para no correrel riesgo de que se produzca una parada total delas instalaciones. Al efectuarse esta separación,para evitar la sobrecarga de la red privada, seprovoca intencionadamente la desconexión de losreceptores no esenciales de la red privada.


Ciertos receptores provocan perturbacionesimportantes en la red de distribución privada. Elfraccionamiento de las fuentes (figura 3 )permite aislar estos receptores perturbadores,ofreciendo además otras dos ventajas:

2.6 Fraccionamiento de las fuentes

n tener una selectividad mejor entre lasprotecciones, lo que mejora la continuidad dealimentación de otros receptores,

n permitir escoger el esquema de conexión atierra (régimen de neutro) adecuado a lautilización.

M M M

receptoresnormales

receptores«sensibles» receptores «perturbadores»

iluminacióninformática

motoresde granpotencia

motor de velocidadvariable

Fig. 3: El fraccionamiento de las fuentes es un medio para separar los receptores «perturbadores» de otrosreceptores.

A partir de los diferentes elementos citadoshasta ahora en este capítulo, el diseñador de lared crea una pre-estructura que va afinado enfunción de las exigencias del emplazamientoindustrial para conseguir el «esquema unifilargeneral de principio» de la distribución eléctrica

2.7 Esquema eléctrico general

de la factoría: es el punto de partida para laoptimización técnico-económica de la red.

El capítulo siguiente presenta simplemente lasdiversas elecciones posibles y los cálculosnecesarios para la búsqueda de la soluciónóptima.


3 Validación y optimización técnico-económica

3.1 Elección del esquema de conexión a tierra (régimen de neutro)

Las normas y reglamentos obligan a protegertoda instalación eléctrica contra los contactosdirectos e indirectos. En general, los dispositivosde protección aseguran el corte automático de laalimentación (al primer o al segundo defectofase-tierra, según el esquema de conexión atierra utilizado). Hay también proteccionesespeciales adaptadas a ciertas situaciones

3.2 Definición de las canalizaciones eléctricas

Las canalizaciones eléctricas son una parteimportante de la inversión total de unainstalación eléctrica. Por tanto, por motivos deseguridad y coste es importante:

n escoger el mejor tipo de canalización (cable),

específicas. El esquema de conexión a tierra deuna red en AT, puede escogerse en función delos criterios indicados en el anexo 4. Pero, muyfrecuentemente, es interesante hacer coexistir,en una misma red industrial, diferentesesquemas, cada uno con sus ventajascaracterísticas determinadas.

n y calcular lo más exactamente posible lasección mínima, pero teniendo en cuenta lascorrientes de cortocircuito y de arranque, lascaídas de tensión, las pérdidas, ...

3.3 Estudio de la coordinación del aislamiento

La coordinación del aislamiento tiene por objetoel conseguir de la mejor forma posible elequilibrio técnico-económico de la protección depersonas y materiales contra las sobretensionesque puedan aparecer en las instalacioneseléctricas, que puedan tener origen tanto en lapropia red como en el rayo.

Hay tres tipos de sobretensiones que puedenprovocar una perforación y, por tanto, un defectode aislamiento con o sin la destrucción delmaterial:

n sobretensiones a frecuencia industrial (50 a500 Hz),

n sobretensiones de maniobra,

n sobretensiones atmosféricas (descarga derayo).

La coordinación del aislamiento favorece unamejor disponibilidad de la energía eléctrica. Sucontrol necesita:

n conocer el valor de las sobretensiones quepuedan aparecer en la red,

n definir el grado de prestaciones buscado o,más explícitamente, una tasa de fallos aceptabledel aislamiento,

n instalar dispositivos de protecciónperfectamente adaptados a la constitución de lared (nivel de aislamiento) y a los tipos desobretensiones,

n elegir los diversos componentes de la redteniendo en cuenta su rigidez dieléctrica a lassobretensiones que se pueden presentar segúnlas exigencias antes citadas.

El Cuaderno Técnico nº 151 describe lasperturbaciones de tensión, los medios paralimitarlas y también la normativa para permitiruna distribución segura y optimizada de laenergía eléctrica gracias a la coordinación delaislamiento.


3.4 Definición de un sistema de protección

Cuando en una red se produce un defecto, hayvarios órganos de protección, situados endiversas zonas de la red, que pueden detectarsimultáneamente esta anomalía. Su disparoselectivo tiene por objeto el aislar lo másrápidamente posible la parte de la red afectadapor el defecto y únicamente esta parte, dejandocon tensión todas las otras partes sanas de estamisma red. El diseñador debe, ante todo,escoger un sistema de protección que lepermita definir las unidades de protección quemejor se le adapten. Debe también definir unplan de disparo de las protecciones queconsiste en determinar los ajustes de los relésen intensidad y en tiempo para obtener unabuena selectividad a la desconexión.

Existen diferentes técnicas de selectividad quese instalan normalmente y que utilizan o asociandiferentes datos y variables, como son laintensidad, el tiempo, los datos lógicos, ladisposición geográfica, ...

Selectividad por corriente o amperimétricaEsta selectividad se utilizada (en BT) cuando laintensidad de las corrientes de cortocircuitodisminuye mucho con la distancia que separa lafuente del punto de cortocircuito considerado oentre la red aguas arriba y aguas abajo de untransformador.

Selectividad por tiempo o cronométricaSe utiliza en BT y muy frecuentemente en AT.Los tiempos de actuación (disparo) de losaparatos de protección (interruptoresautomáticos) se toman cada vez más largoscuanto más cerca estén de la fuente. Para evitarlos regímenes transitorios de corriente, laduración mínima en el punto más alejado de lafuente (inmediatamente aguas arriba de lautilización) es de 0,2 a 0,1 s, si el ajuste de lacorriente es alto, con una duración máxima de1 segundo en el origen de una red privada.

Los retardos pueden ser de tiempo constante ode tiempo dependiente del valor de la corrientede cortocircuito.

Selectividad por emisión de señal lógica oselectividad lógica

La selectividad queda asegurada por una ordende «espera lógica» de una duración limitada,

Fig. 4: Sistema de protección que utiliza variastécnicas de selectividad: amperimétrica, cronométrica ylógica.

0,5 s

0,5 s

0,2 s

0,2 s

0,2 s

hilo piloto

hilo piloto

selectividadmedianteemisión deseñal

selectividadmedianteemisión deseñal

selectividad portiempo

selectividadpor intensidadde corriente


emitida por la primera unidad de protecciónsituada justo aguas arriba del defecto y antes decortar el circuito, hacia las otras unidades deprotección situadas aguas arriba. Esta técnicadesarrollada y patentada por Merlin Gerin sedetalla en el Cuaderno Técnico nº 2.

El retardo al disparo es corto y constanteindependientemente de la posición del defecto enla red, lo que favorece la estabilidad dinámica dela red y minimiza los efectos destructores de undefecto así como sus sobresfuerzos térmicos.

La selectividad con ayuda de la proteccióndireccional y diferencialEsta selectividad permite una protecciónespecífica de una porción o de un elementodeterminado de la red.

Ejemplo: transformadores, cables en paralelo,redes en bucle, ...

Selectividad con la ayuda de protección dedistanciaSe diseña a partir de un «fraccionamiento» de lared en diversas zonas. Las unidades deprotección localizan la zona en que está situadoel defecto, calculando la impedancia del circuitoconsiderado.

Esta técnica se utiliza poco, salvo si la redprivada AT es muy extensa.

En la figura 4 se representa un ejemplo desistema de protección que utiliza varias técnicasde selectividad.

Nota:

En este apartado no se han abordado loscriterios de elección de los sistemas deprotección ni de los relés y sus ajustes. Existennumerosas obras que tratan este tema, porejemplo, los Cuadernos Técnicos nº 2 y nº 158.

3.5 Cálculo de las corrientes de cortocircuito

Para conseguir el mejor equilibrio posibletécnico-económico, es necesario conocer losdiversos valores de las corrientes decortocircuito, para poder determinar:

n los valores de poder de cierre y de corte, quedependen de las Icc máximas de cresta y eficaz,

n la resistencia a los esfuerzoselectrodinámicos de los equipos y de losaparatos eléctricos, que depende de las Iccmáximas de cresta,

n los ajustes, en los estudios de selectividad, delos disparos de las protecciones, que dependende las Icc máximas y mínimas.

El Cuaderno Técnico nº 158, después de hacerun repaso sobre los fenómenos físicos, estudialos métodos de cálculo previstos en las normas.

Cuando hay máquinas giratorias (alternadores ymotores) el establecimiento de una corriente decortocircuito puede descomponerse en trestiempos o «regímenes»:

n régimen subtransitorio,

n régimen transitorio,

n régimen permanente.

Los regímenes subtransitorio y transitorio estánrelacionados con el agotamiento del flujoalmacenado en las máquinas giratoriassíncronas y asíncronas.

En estos dos regímenes hay que utilizar lanoción de componente asimétrica, llamadatambién componente continua cuyaamortiguación depende de la razón R/X de la redaguas arriba y del instante del defecto respectoa la fase de la tensión.

Por último, hay que tener en cuenta lacontribución de los motores a la intensidad decorriente de cortocircuito. En efecto, alproducirse un cortocircuito trifásico, lasmáquinas asíncronas ya no son alimentadas porla red y el flujo magnético de estas máquinas nopuede desaparecer instantáneamente.

La extinción de este flujo origina una corrientesubtransitoria, y después transitoria, queaumenta el valor de la intensidad de corriente decortocircuito de la red.

El valor total de la intensidad de corriente decortocircuito es entonces la suma vectorial de lasdos corrientes de cortocircuito: el de la fuente y elde las máquinas.


3.6 Cálculo de las variaciones de tensión en régimen normal y perturbado

En régimen normal

El cálculo de las variaciones de tensión enrégimen normal es una etapa de control quepermite verificar las tensiones a lo largo de todala red.

Si los valores de las tensiones son demasiadobajos, el diseñador comprueba que:

n los flujos de potencia activa y reactiva sonnormales,

n las canalizaciones eléctricas están biendimensionadas,

n las potencias de los transformadores sonsuficientes,

n el principio de compensación de energíareactiva es correcto,

n el diseño de la estructura de la red es bueno.

En régimen perturbado

Para verificar que los fenómenos que se citaránno provocan bajadas o elevaciones excesivasde la tensión, es necesario utilizar el cálculo delas variaciones de tensión en régimenperturbado:

n arranque de grandes motores (figura 5 ),

n funcionamiento degradado de la red (porejemplo, 2 transformadores en uso, en lugar delos 3 previstos para marcha normal),

n explotación de las redes en vacío, con o sincompensación de la energía reactiva.

El anexo 5 da la expresión y representa eldiagrama vectorial de la bajada de tensión enuna red.

1200 kWIDem = 5 In

4,5 kV4,75 kV Un = 5 kVUn = 5 kV

red fábrica

motor en procesode arranque

57 kVUn = 60 kV

Un = 60 kV

línea

30

km

IDem

IDem

IDem

Fig. 5: Instalación de un motor de 1200 kW alimentado por una línea de 60 kV de 30 km de longitud: ejemplo dedeterminación del valor de las variaciones de tensión durante su arranque. Téngase presente que la separación de laalimentación en «red de fábrica» y «motor» ha permitido tener sólo 250 V de caída de tensión en al «red de fábrica».

xxx kV = tensión durante el arranque del motor.


3.7 Elección del modo de arranque de motores

El modo de arranque utilizado (estrella-triángulo,autotransformador, resistencias o reactanciasestatóricas, ...) debe evidentemente permitirdisponer de un par de aceleración Ca suficiente(en general Ca > 0,15 Cn), pero sin provocarcaídas de tensión excesivas (< 15%).

Repaso: la ecuación que define el estado deequilibrio de un motor con la máquina quearrastra es:

m rd

C' C Jdt

− = ω

donde:

C'm = par motor con tensión real dealimentación (Ur),

Cr = par resistente de la máquina arrastrada,

J = inercia de todas las masas arrastradas,

dω/dt = aceleración angular,2

rm m

n

UC' C .

U

=

Cm = par motor con tensión nominal (Un),

Ca = C'm - Cr,

Ca = par de aceleración.

La figura 6 representa la curva de Ca enfunción de la velocidad.

La tabla de la figura 7 muestra los tipos dearranque más utilizados. Para más detalles,consultar el Cuaderno Técnico nº 165.

0

CCn

par

1

0velocidad

Cm

C'm

Cr

CnCa

0,6

Fig. 6: Representación de los diversos pares de unmotor según su velocidad, con una bajada de tensióndel orden del 15% (de ahí, C'm ≈ 0,7 Cm) y un parresistente Cr ≈ 0 en el arranque.Téngase presente que una bajada de tensión de esteporcentaje, no permitiría hacer arrancar el motor conun Cr > 0,6 Cn durante el arranque, porque entoncesCr > C'm.

Necesidades de Características de Modo de Ventajasla aplicación la aplicación arranque inconvenientes

proceso permanente máquinas que necesitan directo simplicidado casi permanente un gran par de arranque baja inversiónarranque ≤ 1/día durante el arranque:arranques frecuentes motores con baja solicitación directo n par importante> 1/día de corriente en el arranque n corriente de llamadaimportante

o de baja potencia n grandes esfuerzos mecánicos

bombas, máquinas que arrancan mediante reducción yventiladores con poco par reactancias solicitación de corrientecompresores estatóricas de arranquearranques (posibilidad de ajuste)frecuentes

optimización de las la intensidad de arranque mediante optimización del par (reducido)características de debe de reducirse, pero auto- y de la solicitación de corrientede arranque conservando el par transformador de arranque (posibilidad de

necesario de arranque ajuste)

optimización de las arranques más difíciles rotórico baja solicitación de corriente ycaracterísticas de gran par de arranquede arranque con par elevado

Fig. 7: Modos de arranque más utilizados.

C’m = par motor con tensión realde alimentación (Ur),

Cr = par resistente de la máquinaarrastrada,

Cm = par motor con tensiónnominal (Un),

Ca = par de aceleración.


3.8 Estabilidad dinámica de las redes

En régimen no perturbado, el conjunto demáquinas giratorias (motores y alternadores)que forman parte de la instalación constituyen unsistema estable con la red pública dealimentación. Este equilibrio puede alterarse porun incidente en cualquiera de las dos redes(pública o privada), por ejemplo: fluctuacionesimportantes de la carga, modificación delnúmero de transformadores, de líneas o defuentes de alimentación, defecto polifásico, etc.

Por tanto, se puede producir o una inestabilidadtransitoria (en el caso de una red bien estudiada)o la pérdida total de la estabilidad, si el fenómenoperturbador es muy grave o si la red tiene pocacapacidad de recuperación (por ejemplo,potencia de cortocircuito demasiado baja).

Comportamiento de motores asíncronos alproducirse un defecto trifásicoHe aquí, a título de ejemplo, el estudio delcomportamiento dinámico de los motoresasíncronos al producirse un defecto trifásico(figura 8 ).

Al eliminarse el defecto:

n o los motores tienen pares superiores a lospares resistentes: pueden reacelerar yencontrar de nuevo su estabilidad,

n o los motores tienen un par inferior al de lasmáquinas resistentes: siguen entonces con suralentización progresiva absorbiendo corrientesimportantes que son detectadas por lasprotecciones de los motores y/o de la red queprovocan el disparo del interruptor automáticoasociado.

El rearranque de los motores, y por tantola recuperación de la estabilidad, se vefavorecida por:

n un plan de desconexión o desengancheadecuado (desconexión de los motoresordinarios y no esenciales en caso de defectosgraves),

n una red potente (alternadores correctamenteregulados y con poca caída de tensión),

n unos sistemas de protección rápidos quedisminuyen la duración de ralentización de losmotores (selectividad lógica, por ejemplo),

n una estructura de red adaptada:

o con una separación y agrupación en circuitosde receptores ordinarios y no esenciales, por unaparte, y receptores esenciales y críticos por otra,para facilitar el desenganche o desconexión,

defecto trifásico

bajada de tensión

aumentode la corrienteabsorbida porlos motores

disminucióndel par motor

(función cuadradode la tensión)

ralentizaciónde todos

los motores

Fig. 8: Comportamiento de los motores asíncronosdurante un defecto trifásico.

o conexiones de impedancia mínima para losreceptores esenciales y críticos, para limitar lascaídas de tensión.

La duración de recuperación de la velocidadnormal de los motores es función:

n de su par de aceleración y por tanto, de lacaída de tensión,

n de la inercia de las masas giratorias.

Hay programas de cálculo que permiten simularel comportamiento dinámico de la red eléctrica yasí facilitar la elección. Estos programas sonespecialmente válidos para determinar losprocedimientos de separación de fuentes (islas),para prever los planes de desenganche decargas no esenciales y para determinar lossistemas de protección a utilizar (selectividadlógica para obtener tiempos muy cortos dedesconexión). El conjunto de estos elementoscontribuye a mantener la estabilidad dinámica dela red cuando hay una perturbación.


Toda la reflexión descrita en este capítulo seresume en forma de organigrama en el anexo 6.

3.9 Síntesis

Fig. 9: Presentación del comportamiento dinámico de una red con y sin desenganche.

En resumen:

Si la perturbación es leve (cortocircuito bifásicodistanciado de la utilización), la estabilidad serecupera por la acción de los reguladores develocidad y de tensión.

Cuando hay un riesgo importante de inestabilidad,hay que prever una protección que, en un plazomuy corto (0,2 a 0,3 s), elimine el defecto y/o undispositivo que fraccione la red (descargándolamediante desenganches) para evitar el riesgo deparada total de la instalación (figura 9 ).

M1 M2 M3 M4 M5

circuitodesconectado

G(rad/s)

300

250

0,15 1 2 3 t (s)

alternador

motor M1, con desenganche

motor M1, sin desenganche

eliminación del cortocircuito

G


4 Elección de la estructura y explotación óptima de las redes

En este capítulo, de entre las posiblesestructuras de redes, se explican las másusuales y sus principales campos de aplicación.

La elección de una estructura de red, que essiempre determinante en el plan de disponibilidadde la energía, suele ser difícil.

Comparar rápidamente, para las diversasestructuras, la no disponibilidad de la tensión enun punto concreto de la red es el método másracional, siendo muy interesante la utilización deun sistema experto (anexo 2).

4.1 Estructuras de red típicas

Bucle abierto o cerrado, llamado «en cortede arteria»(figura 10 )

Estructura aconsejada para redes muyextensas, con posibles derivaciones futurasimportantes. Se recomienda su explotación enbucle abierto.

Radial doble, llamado «en doble derivación»(manual o automática)(figura 11 )

Estructura aconsejada para redes muy extensasy con ampliaciones futuras limitadas y quenecesitan una buena continuidad de laalimentación.

Radial llamada «en simple alimentación» o«en antena»(figura 12 )

Estructura aconsejada cuando las exigencias decontinuidad de la alimentación son bajas. Seutiliza mucho en cementeras.

Doble alimentación(figura 13 )

Estructura aconsejada cuando se necesita unabuena continuidad de la alimentación y cuando elpersonal de explotación y mantenimiento sonescasos. Se utiliza mucho en la industriasiderúrgica y petroquímica.

Doble juego de barras(figura 14 )

Estructura aconsejada cuando se exige unacontinuidad muy buena del suministro o cuandohay variaciones de carga muy importantes: lascargas pueden derivarse de uno u otro juego debarras, sin cortar la alimentación.

AT

BTBTBT

Con grupos de producción de energía(figura 15 )

Es la estructura más simple pero de uso muyfrecuente.

Con fuente de sustitución y desenganche(figura 16 )

Es el caso típico de red industrial con unaexigencia muy grande de continuidad de laalimentación pero en la que se dispone de unúnico suministrador público.

Fig. 10: Esquema de una red en bucle.


BT

sub-cuadro AT

BT

AT

AT

BT

BT

BT

Fig. 11: Esquema de una red en doble derivación.

Fig. 12: Esquema de una red en alimentación simple.

AT

AT

BT

Fig. 13: Esquema de una red con doble alimentación.


salidas

entradas

juego de barras B

juego de barras A

Fig. 14: Esquema de una red con doble juego de barras.

G

fuenteprincipal

fuente desustitución

utilizaciónprioritaria

(red de emergencia)

utilizaciónno prioritaria

G

Fig. 15: Esquema de una red con un grupo generador de energía.

Fig. 16: Esquema de una red con una fuente de sustitución y desenganche.


4.2 Ejemplo de una estructura concreta

G

machacadorascantera

63 kV

10 MVA2 MVA10 MVA

fuente de sustitución

5 kVBT BT

20 kV

nivel - 300pozo Nº 1

5 kV

tratamiento moledoras

nivel - 500pozo Nº 2

Fig. 17: Estructura de una red eléctrica de una mina marroquí (Merlin Gerin).

El esquema de la figura 17 se diseñó y montóen una mina polimetálica de Marruecos. Agrupavarias de las diversas estructuras explicadas;

así, la alimentación de los diversos talleres sehace en bucle, en doble antena o con una fuenteprincipal y una de sustitución.


4.4 Explotación óptima

Para la explotación óptima de una distribucióneléctrica, hay que intentar conseguir:

n la mejor continuidad de la alimentación,

n el coste mínimo de la energía consumida,

n optimización de los medios de explotación yde mantenimiento que contribuyen al control delfuncionamiento de la red, tanto en régimenestable como transitorio y ante un defecto.

La solución consiste en la instalación de unsistema de «Gestión Técnica de la DistribuciónEléctrica» (GTE) para todo el conjunto de la red.

Los sistemas de GTE propuestos por losfabricantes, como Merlin Gerin, explotan todaslas prestaciones de los microprocesadores. Así,estos componentes, integrados en las centralesde gestión local y centralizada, en la aparamentade protección y de control y mando e instaladosprecisamente junto a los puntos de consumo,están en el origen del concepto de «inteligenciadescentralizada».

La expresión «inteligencia descentralizada»significa que los centros de control y losaparatos cumplen su función de formaautónoma, cada uno en su nivel y sinintervención humana y únicamente solicitan laintervención de un «elemento superior» en casode anomalía. Mediante el supervisor, el gestor ousuario son siempre informados de cualquiercambio.

Esta explicación permite entender la granimportancia que tiene definir perfectamente laarquitectura de la red.

Descripción del sistemas GTE

(figura 18 )

Un sistema de GTE se organiza en cuatroniveles:

n nivel 0: captadores (de posición, demagnitudes eléctricas, ...) y actuadores (relés dedisparo, bobinas, ...),

n nivel 1: unidades de protección y de mando-control, por ejemplo, una celda AT,

n nivel 2: control local, por ejemplo, centro detransformación MT/BT de una fábrica o elcuadro BT de un taller,

n nivel 3: telecontrol de todo el conjunto de lared privada.

Todo este conjunto de unidades, yespecialmente las de los niveles 1 al 3 estáninterconectadas mediante un bus (red a travésde la que circulan los datos o informaciones).

Objetivos de los sistemas GTEn gestionar la entrada de energía y suconsumo, en función de:

o la potencia contratada,

o la tarificación del suministrador,

o la disponibilidad de la central de producciónprivada,

o los imperativos de los procesos industriales.

n mantener la continuidad de la alimentacióneléctrica, llevando a cabo:

o la protección rápida y selectiva (sistema deselectividad lógica, por ejemplo),

4.3 Elección de los equipos

Independientemente de la estructura escogida,los diversos equipos previstos deben desatisfacer:

n las normas en vigor,

n las características de la red:

o las tensiones, corrientes nominales,

o la corriente de cortocircuito (poder de cierre,poder de corte, resistencia electrodinámica ytérmica),

n las funciones normales (corte con defecto,corte en servicio normal, utilización frecuentecomo mando, aislamiento de circuitos...),

n las exigencias de continuidad de laalimentación (aparato fijo, desconectable,desenchufable),

n las cualidades de los agentes de explotacióny mantenimiento (con cerraduras y candados,enclavamientos eléctricos más o menoscompletos, técnica de corte con o sinmantenimiento),

n las posibles exigencias de mantenimiento yampliación (reserva, modularidad, ...).

Nota: En este punto del estudio, el conjunto delas características de la red es el resultado decálculos que normalmente se hacen con laayuda de programas de cálculo científico.


nivel 3telecontrol del conjuntode la red eléctrica privada(sistema supervisor yregistrador de estados)

nivel 2gestión local de lasredes «CT-fábrica»(central de gestión de red)

nivel 1unidades de proteccióny control-mando(celdas AT, CGBT de talleres)

nivel 0captadores y actuadores(relés de protección, finalesde carrera, transformadoresde medida, ...)

central de control-mandonº 1

central de control-mandonº 2

Salida 2: desc.: defecto tierra ...Salida 2: sobrecarga 150 A. Desenga

I1 = 136 A

Salida taller soldadura: I 23 A

I1 = 96 ADef A1

Fig. 18: Ejemplo de arquitectura de un sistema de Gestión Técnica de la distribución Eléctrica.

o la conmutación automática de fuentes,

o el desenganche/reenganche adecuado yprogramado desde la interfaz hombre/máquinacon la definición de los criterios de desconexión(plan de desenganche y reenganche),

o el rearranque secuencial de los talleres,

o la función de ajuste de la tensión, decorrección del factor de potencia, ...

o la protección de los receptores esencialesdurante un corte de alimentación del distribuidoro de los alternadores locales de producción.

n posibilitar el diálogo hombre-máquina:

o visualización de los diferentes estados de lared y de sus equipos mediante sinópticosanimados en tiempo real (unifilares, esquemasde detalle, curvas, ...),

o telemando de la aparamenta de maniobra,

o consignar los estados y medidas,

o registro cronológico de los defectos yalarmas (10 ms),

o archivo de eventos,

o conteo y estadística,

o histórico.

Todas estas informaciones son sumamenteinteresantes para organizar el mantenimientopreventivo.

n elaborar los procedimientos de «guía deloperador» que, por ejemplo:

o prohibe ciertos arranques de motores enfunción de la potencia disponible en la central deproducción, de la hora o del grado de prioridadde los motores,

o prohíbe ciertos modos de alimentación desdelos cuadros MT (bloqueo de fuentes),


o propone el esquema de socorro que mejor seadapta frente a un defecto grave de unaderivación principal o de un generador,

o propone las instrucciones de operación ymantenimiento (eléctricos, mecánicos, ...).

Ventajas del sistema GTELa evolución, por una parte, de los sistemas deprotección y de mando y control digitales denivel 1, y por otra, el rápido aumento de la razónprestaciones/coste de los equipos y de losprogramas de nivel 2, permiten a los industrialestener mayores ventajas técnicas y económicas,y en concreto:

n seguridad de funcionamiento controlado,

n una gama mucho más amplia de posiblesfunciones, especialmente funciones de logística,de mantenimiento preventivo y de control remoto,

n facilidad de instalación, y explotación máseficaz.

La variedad de funciones ofrecidas por estossistemas, las posibilidades nuevas deautocontrol y hasta autodiagnóstico y desupervisión y coexistencia de las interfaces dediálogo con el operador, hacen naturalmentemás eficaz y más interesante el trabajo delusuario. Así, éste tiene la posibilidad de apreciarmejor el funcionamiento de su red y optimizar,además de teledirigir, el mantenimiento y larenovación de sus equipos eléctricos.


Un diseño de red eléctrica bien controladapermite asegurar, a menor coste y en lasmejores condiciones de explotación, unfuncionamiento óptimo de la red, tanto enrégimen permanente como en régimenperturbado.

El mejor coste no es el que corresponde a unainversión inicial mínima, sino, sobre todo, aldiseño de una red eléctrica que resulta ser elmás económico, teniendo en cuenta la inversióninicial, los costes de explotación y las pérdidasde producción. Las mejores condiciones de

5 Conclusión

explotación permiten obtener una continuidad dela alimentación de los receptores compatiblescon las exigencias de las instalaciones, y estopara obtener una productividad y una seguridadmáxima de las personas y bienes. Las nuevasgeneraciones de aparatos y equipos eléctricosestán diseñadas para dialogar, a través de unbus digital de comunicaciones, con uno o varioscentros de telecontrol. Y es precisamente esteconjunto de las dos redes, la de energía y la dedatos, el que permite satisfacer perfectamente,con un coste de inversión aceptable, lasnecesidades del usuario.


La ampliación de la red industrial ya existentecon un transformador tiene el inconveniente deaumentar la intensidad de las corrientes decortocircuito, por lo que, antes de intentarconectarlo en paralelo sobre el ya existente,habría que aumentar:

n los poderes de corte y cierre de los aparatosya instalados,

n la resistencia a los esfuerzoselectrodinámicos de la instalación antigua.

La colocación de una reactancia trifásica entrela instalación nueva y vieja suprime estasdificultades (figura 19 ).

Hipótesisn intensidad de cortocircuito de la instalaciónexistente: 17 kA (Icc1),

n la intensidad de cortocircuito sobre el juegode barras existente debe de limitarse a21 kA (Icc2),

XTr = 0,63 Ω.

Anexo 1: Ampliación de una red industrial ya existente

instalación antigua instalación nueva

transformadornuevo20 MVAUcc = 12%

36 MVAUcc = 12%

17 kAIcc 1

X = 0,81

4 kA21 kA

reactancialimitadora

10 kV 10 kV

Cálculo aproximado de la reactancia delimitación(se desprecian las resistencias)

La corriente que atraviesa la reactancia debe deser igual, en una primera aproximación(supuesto Icc1 e Icc2 en fase), a:

21 - 17 = 4 kA = ICCL

siendo ICCL = Intensidad limitada por la

reactancia VX

=

X = valor de la reactancia total (transformador20 MVA y reactancia de limitación),

Icc

V 10000X 1,44

L 3 x 4000= = = Ω

X = Xreactancia + XTr

XTr = 0,63

Xreactancia = 1,44 - 0,63

Xreactancia = 0,81 Ω

Fig. 19: Ampliación de una red industrial ya existente con un transformador complementario.


He aquí una lista de los principales programasutilizados en los diversos servicios de lasociedad Merlin Gerin, con los que se estudiany/o diseñan las redes eléctricas.

Programas de cálculo:n reparto de potencias,

n intensidad de cortocircuito,

n caídas de tensión,

n estabilidad dinámica de una red,

n corrientes y tensiones armónicas,

n sobretensiones de rayo y de maniobra,

n conexión de transformadores y decondensadores,

n no disponibilidad de una alimentacióneléctrica.

Anexo 2: Medios informáticos utilizados para los estudios de redes

Sistema experto de evaluación de la calidadde diseño de una red eléctricaMerlin Gerin ha desarrollado y utilizado unsistema experto, denominado ADELIA, quepermite comparar rápidamente, para losdiferentes esquemas, la no disponibilidad de latensión en un punto concreto de la red.

Tiene la ventaja de requerir menos cálculos queel método de gráficos de Markov y ofrecer, porel contrario, informaciones cualitativas (gráficode combinaciones de sucesos que desembocanen un fallo del sistema) y resultados cuantitativos(cálculos de no disponibilidad de la red).


El principio general de compensación concondensadores puede verse en lasfiguras 20 y 21.

n la primera (figura 20 ) representa lacomposición vectorial de las diferentescorrientes y, para una corriente activa dada, lareducción de la corriente total en losconductores.

Ia = corriente activa consumida,

It1 = corriente total antes de la compensación,

Ir1 = corriente reactiva proporcionada a travésdel condensador antes de la compensación,

It2 = corriente total después de la compensación,

Irc = corriente reactiva proporcionada por elcondensador,

Anexo 3: Principio general de compensación

Ir2

Ir1It1

Irc

It2

Ia 1 2

Fig. 20: Composición vectorial de las diversascorrientes y efecto de la compensación.

Fig. 21: Diagrama que representa el intercambio deenergía en el circuito de alimentación de un receptor,mostrando la importancia de la compensación.

Ir2 = corriente reactiva proporcionada por eltransformador después de la compensación(Ir2 = Ir1 - Irc),

n la figura 21 ilustra el intercambio local deenergía reactiva entre el receptor y elcondensador. La corriente total proporcionadapor la red, It2, se reduce y el rendimiento de lainstalación mejora debido a que las pérdidas porefecto Joule son proporcionales al cuadrado dela intensidad.

antes de lacompensación

después de lacompensación

potencia convertidaen disponible

potenciareactivasuministradapor el transformador

potenciareactivaabsorbidapor el condensador

potenciaactiva


La elección del esquema de conexión a tierra(régimen de neutro) para una red industrial ATse hace siguiendo estos criterios:

n política general,

n legislación en vigor,

n exigencias debidas a la red física,

n exigencias debidas a la explotación de la red,

n exigencias debidas a la naturaleza de losreceptores,

n etc. ...

Existen cinco esquemas posibles:

n neutro «directo» a tierra,

Anexo 4: Elección del esquema de conexión a tierrapara una red industrial MT

n neutro conectado a tierra a través de unareactancia,

n neutro conectado a tierra a través de unareactancia sintonizada,

n neutro conectado a tierra a través de unaresistencia,

n neutro aislado.

Cada uno de estos esquemas tiene sus ventajasy sus inconvenientes, que conviene conocerperfectamente antes de cerrar la elección. Latabla de la figura 22 los agrupa a todos.

Esquema de conexión del neutro Ventajas Inconvenientes En la práctica

Directo a tierra n facilita la detección n provoca corrientes elevadas n poco utilizadode defectos a tierra de defectos a tierra (peligrosoy la selectividad de las para las personas, con riesgoprotecciones de daños importantes paran limita las sobretensiones el material)

Puesto a tierra a través n limita las corrientes de n necesita protecciones más n aplicable sin precauciónde una reactancia defecto a tierra complejas que la conexión especial, solamente si la

directa a tierra impedancia de limitaciónn puede provocar sobretensiones es baja respecto a laseveras según las configuraciones resistencia homopolarde la instalación del circuito

Puesto a tierra a través n favorece la autoextinción n necesita protecciones complejas n a veces se utiliza ende una reactancia sintonizada de las corrientes de defecto (dispositivos direccionales difíciles los paises del Este(bobina de Petersen) a tierra de instalar) n no utilizado en Francia

Puesto a tierra a través n limita las corrientes de n es el más interesantede una resistencia defecto a tierra para una distribución

n facilita su detección y la industrial: tiene todasselectividad de las protecciones las ventajasn limita las sobretensiones

Aislado de tierra n limita las corrientes de n riesgo de sobretensiones n el no-disparo con elde los defectos a tierra n necesidad de utilizar material primer defecto a tierra

«sobre-aislado» (tensión compuesta necesita:entre fase y tierra al producirse un o obtención de unadefecto franco a tierra) derogación (legislaciónn son aconsejables protecciones francesa)contra sobretensiones o que la capacidad entren supervisión del aislamiento los conductores activos deobligatorio (legislación francesa) la red y tierra no provoquenn selectividad compleja entre las una corriente de defectoprotecciones de defecto a tierra a tierra peligrosa para las

personas y las máquinas

Fig. 22: Ventajas e inconvenientes de los diversos esquemas de conexión a tierra posibles en una red industrial AT.


La caída de tensión en una red se puedecalcular por la expresión:

∆V = R.I.cos ϕ + X.I.sen ϕ

Anexo 5: Caída de tensión en una red (expresiónmatemática y diagrama vectorial)

V

F

ECD

B

A

I

Va

Vd

XI

RI

RL

r ec

epto

r

VaVd

fuente

I

cable

Fig. 23: Diagrama vectorial de la caída de tensión en una red.

AD = RI cos ϕDE = BC sen ϕ + CF sen ϕDE = BF sen ϕ = XI sen ϕ

El esquema eléctrico y el diagrama vectorial dela figura 23 corresponden a esta ecuación.


Este diagrama lógico tiene dos bucles:

n el primero, de análisis y de elección, parte de las«necesidades y exigencias a satisfacer» y lleva al planteamientode la estructura de la red en forma de «esquema general unifilar»,

n el segundo pretende la optimización de esta estructura.

Anexo 6: Etapas del diseño de una red industrial

Equilibrio de potencias activa, reactiva,a partir de coeficientes: de utilización, de simultaneidad.

Elección de tensionesSegún: la función a realizar: transporte, distribución, utilización. potencias disponibles y a proporcionar, las distancias que separan las fuentes de los receptores, las prácticas y costumbres locales,

Compensación de la energía reactivaTomando como criterio principal criterios deelección por tipo de compensación: longitud y sección de la canalización eléctrica, aumento deseable de la potencia activa disponible.

Fuentes de seguridad normas, textos legales,Fuentes de sustitución mantenimiento de los medios de producción, confort de la alimentación.

Producción autónoma de la energía eléctricaSi es una industria: puede disponer de vapor producido en algún proceso, puede disponer de combustibles a bajo coste, puede no disponer de distribuidor público energía de buena calidad y de gran potencia.

Fraccionamiento de las fuentesPara aislar las zonas perturbadas por: arranques de grandes motores, sistemas electrónicos de potencia, etc.

Necesidadesy exigenciasa satisfacer

Necesidadesmayores satisfechas

y/o exigenciascontroladas

SI

NO

Esquemaunifilargeneral

Elección de modo de arranque de los motoresDepende de: la caída de tensión admisible en la red, los pares resistentes y motores, la inercia de las masas giratorias.Nota: los valores máximos de las caídas de tensión y laduración de los arranques que normalmente se encuentran son: caída de tensión = 10 a 15 % de Unominal, duración del arranque: bomba = 0,5 a 2 s, moledoras = 5 a 10 s, cintas de transporte = 5 a 30 s ventiladores = 10 a 200 s

Cálculo de las variaciones de tensión en régimennormal y perturbado

Cálculo de las intensidades de corrientes de cortocircuito

Definición de un sistema de protección

Estudio de la coordinación del aislamiento

Definición de las canalizaciones eléctricasPrincipales parámetros a analizar: corriente normal permanente (o equivalente), forma de instalación y colocación, exposición al sol, temperatura del suelo, temperatura del aire, conductividad del suelo, caída de tensión admisible en regímenes permanente

y perturbado, resistencia a las corrientes de cortocircuito, resistencia de las pantallas de los cables a los defectos

monofásicos y/o polifásicos, tensión de contacto, etc...

Elección de o de los esquemas de conexión a tierraentre los siguientes esquemas posibles: neutro aislado, neutro directamente puesto a tierra, neutro puesto a tierra a través de una reactancia o una bobina de Petersen, neutro puesto a tierra a través de una resistencia.


Cuadernos Técnicos Schneidern Protección de redes por el sistema deselectividad lógicaCuaderno Técnico nº 2F. SAUTRIAU

n Puesta a tierra del neutro en las redesindustriales ATCuaderno Técnico nº 62F. SAUTRIAU

n Gestión de la energía en los procesosindustrialesCuaderno Técnico nº 133C.G. POUZOLS

n Sobretensiones y coordinación delaislamientoCuaderno Técnico nº 151D. FULCHIRON

Anexo 7: Bibliografía

n Cálculo de las corrientes de cortocircuitoCuaderno Técnico nº 158R. CALVAS, B. DE METZ NOBLAT, A.DUCLUZAUX, et G. THOMASSET

n El rayo y las instalaciones eléctricas ATCuaderno Técnico nº 168B. DE METZ NOBLAT

Publicaciones diversas

n Les surtensions lors de l’élimination decourts-circuits sur les réseaux dont le neutre estmis à la terre par une réactance.Bulletin de la Société Française des Electriciens,8e série, Tome 1, n°4 (avril 1960)LE VERRE

Cuaderno Técnico nº 169 - catedras.facet.unt.edu.ar · redes eléctricas, protecciones, control y...

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