100990239 Calculo de Barras Colectoras en Una Subestacion Electrica
SUBESTACION ELECTRICA
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Campus de la innovación y la tecnología regional Tolima
Grupo: M.E.I.
SUBESTACION ELECTRICA
SISTEMA DE ALIMENTACION Y DISTRIBUCION
¿Que es una subestacion electrica?
Clasificacion de subestaciones electricas.
•Operación•Composición•Función que desempeña
•Operación
Composición
Blindado
Exterior
Interior
Funcion que desempeña
•Elevadores de tension•Reductores de tension•De enlace para interconectar lineas•Rectificadores (AC-DC)
Esquema de red eléctrica
Clasificación de las Subestaciones de distribuciónAérea o tipo poste
• Para zonas rurales y urbanas
•Para usuarios residenciales o industriales.
•La alimentación Aérea o Subterránea.
Patio y piso•La subestacion tipo piso se utiliza en zonas urbanas para usuarios industriales, residenciales, comerciales y alumbrado publico.
•Presentan variantes que determinan su diferencia con la de patio.
•Tipo patio son emplazadas a la intemperie.
•En algunas industrias.
•Alimentadas por redes subterraneas a 34,5KV .
Sub estación pedestal o pad mounted (tipo jardín)
•Para interperie o interiores.
•Seguridad al paso de personas en zonas como parques o avenidas.
•Dos gabinetes, uno aloja el transformador con sus protecciones y el segundo la caja de maniobras.
Subestacion tipo capsuladas• En recinto cerrado en el cual se encuentran alojadas varias celdas las cuales albergan en su interior el transformador el medidor las protecciones etc.
•Son empleadas en industrias o urbanizaciones de estrato 4,5 y 6.
SUBESTACIONES AISLADAS EN GAS, ENCAPSULADAS GIS
•El Hexafloruro de Azufre o SF6 es un gas artificial utilizado ampliamente en los equipos eléctricos de alta tensión. •Es incoloro, inodoro, no combustible y químicamente muy estable se utiliza como aislamiento eléctrico de sus distintos componentes -maniobra,medición, barras, etc.
SUBESTACION SUBTERRANEA
•Instalación bajo el nivel del piso en andenes o zonas verdes.•Comformados por 2 bovedas•Seccionador tipo inundable con codos pre-moldeables, sin partes vivas expuestas de operación bajo carga de 200A
•Transformador sumergible y con capacidad de estar como minino 3 horas en agua.
•La bóveda del transformador debe tener un fácil acceso a sus componentes sin tener que ingresar ala misma.
COMPONENTES Y EQUIPOS QUE CONFORMAN UNA SUBESTACIÓN ELECTRICA
•Interruptor automáticos-Seccionadores•Conmutadores de puesta a tierra•Transformadores de corriente•Transformadores de potencial o transformadores de voltaje capacitor•Capacitores de acoplamiento•Filtros de línea•Apartarrayos y/o espinterometros•Transformadores de potencia•Reactores de derivación•1Reactores limitadores de corriente•Barras y aisladores de estación•Sistemas de puesta a tierra•Capacitores en serie•Capacitores en derivación
Subestación Sena campus de la industria y la innovación.
Funcionamiento basico de transfomador electrico
Factor de Potencia
Factor de potencia
El factor de potencia se define como el cociente de la relación de la potencia activa entre la potencia aparente; esto es:
Comúnmente, el factor de potencia es un término utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo.
SP
FP
Factor de potencia
El valor ideal del factor de potencia es 1, esto indica que toda la energía consumida por los aparatos ha sido transformada en trabajo.
Por el contrario, un factor de potencia menor a la unidad significa un mayor consumo de energía necesaria para producir un trabajo útil.
Tipos de potencia
La potencia efectiva o real es la que en el proceso de transformación de la energía eléctrica se aprovecha como trabajo.
Unidades: Watts (W)
Símbolo: P
La potencia reactiva es la encargada de generar el campo magnético que requieren para su funcionamiento los equipos inductivos como los motores y transformadores.
Unidades: VAR
Símbolo: Q
Tipos de potencia
La potencia aparente es la suma geométrica de las potencias efectiva y reactiva; es decir:
Unidades: VA
Símbolo: S
22 QPS +=
Tipos de potencia
El triángulo de potencias
Potencia activa P
Potencia reactiva Q
Potencia aparente S
El triángulo de potencias
De la figura se observa:
Por lo tanto,
CosSP
CosFP
P
SQ
El ángulo
• En electrotecnia, el ángulo nos indica si las señales de voltaje y corriente se encuentran en fase.
• Dependiendo del tipo de carga, el factor de potencia
puede ser:
• adelantado • retrasado • igual a 1.
)( CosFP
Tipos de cargas
• En las cargas resistivas como las lámparas incandescentes, el voltaje y la corriente están en fase.
• Por lo tanto,
• En este caso, se tiene un factor de
potencia unitario.
0
Tipos de cargas
• En las cargas inductivas como los motores y transformadores, la corriente se encuentra retrasada respecto al voltaje.
• Por lo tanto, • En este caso se tiene un factor de potencia
retrasado.
0
Tipos de cargas
• En las cargas capacitivas como los capacitores, la corriente se encuentra adelantada respecto al voltaje.
• Por lo tanto, • En este caso se tiene un factor de
potencia adelantado.
0
Diagramas fasoriales del voltaje y la corriente
Según el tipo de carga, se tienen los siguientes diagramas:
V
I V
I
V
I
CargaResistiva
CargaInductiva
CargaCapacitiva
El bajo factor de potencia
Causas: • Para producir un trabajo, las cargas
eléctricas requieren de un cierto consumo de energía.
• Cuando este consumo es en su mayoría energía reactiva, el valor del ángulo se incrementa y disminuye el factor de potencia.
El bajo factor de potencia
FP=Cos0 130 0.86660 0.590 0
2
3
1
Factor de potencia VS ángulo
V
I
Problemas por bajo factor
de potenciaProblemas técnicos:
• Mayor consumo de corriente.• Aumento de las pérdidas en
conductores.• Sobrecarga de transformadores,
generadores y líneas de distribución.• Incremento de las caídas de voltaje.
Problemas por bajo factor
de potencia
Pérdidas en un conductor VS factor de potencia
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4FP
kW
9
6
3
0
Problemas por bajo factor
de potenciaProblemas económicos:• Incremento de la facturación eléctrica por
mayor consumo de corriente.• Penalización de hasta un 120 % del costo
de la facturación.
E.E.
Compensación del factor
de potencia
Corrientetotal
Corrienteactiva
Corrientereactiva
Corrientetotal
Corrienteactiva
Capacitores
Corrientereactiva
Motor de inducciónsin compensación
Motor de induccióncon capacitores de compensación
Beneficios por corregir el factor
de potenciaBeneficios en los equipos:
• Disminución de las pérdidas en conductores.
• Reducción de las caídas de tensión.• Aumento de la disponibilidad de
potencia de transformadores, líneas y generadores.
• Incremento de la vida útil de las instalaciones.
Beneficios por corregir el factor
de potencia Beneficios económicos:
• Reducción de los costos por facturación eléctrica.
• Eliminación del cargo por bajo factor de potencia.
• Bonificación de hasta un 2.5 % de la facturación cuando se tenga factor de potencia mayor a 0.9
SIN CORREGIR EL FP
CORRIGIENDO EL FP
Beneficios por corregir el factor
de potencia
Compensación del factor
de potencia• Las cargas inductivas requieren potencia
reactiva para su funcionamiento.
• Esta demanda de reactivos se puede reducir e incluso anular si se colocan capacitores en paralelo con la carga.
• Cuando se reduce la potencia reactiva, se mejora el factor de potencia.
Compensación del factor
de potencia
2
1LQ
Q
CQ
P
1S
2S
Compensación del factor
de potenciaEn la figura anterior se tiene:
• es la demanda de reactivos de un motor y la potencia aparente correspondiente.
• es el suministro de reactivos del capacitor de compensación
• La compensación de reactivos no afecta el consumo de potencia activa, por lo que es constante.
LQ
CQ
1S
P
• Como efecto del empleo de los capacitores, el
valor del ángulo se reduce a
• La potencia aparente también disminuye, tomando el valor de
• Al disminuir el valor del ángulo se incrementa el factor de potencia.
21
1S
2S
Compensación del factor
de potencia
Métodos de compensación
Son tres los tipos de compensación en paralelo
más empleados:
• a) Compensación individual
• b) Compensación en grupo
• c) Compensación central
Compensación individual
Aplicaciones y ventajas Los capacitores son instalados por cada
carga inductiva. El arrancador para el motor sirve como un
interruptor para el capacitor. El uso de un arrancador proporciona control
semiautomático para los capacitores. Los capacitores son puestos en servicio sólo
cuando el motor está trabajando.
Compensación individual
Desventajas El costo de varios capacitores por
separado es mayor que el de un capacitor individual de valor equivalente.
Existe subutilización para aquellos capacitores que no son usados con frecuencia.
Compensación individual
Diagrama de conexión
arrancador
M
C
Compensación en grupo
Aplicaciones y ventajas Se utiliza cuando se tiene un grupo de
cargas inductivas de igual potencia y que operan simultáneamente.
La compensación se hace por medio de un banco de capacitores en común.
Los bancos de capacitores pueden ser instalados en el centro de control de motores.
Compensación en grupo
Desventajas
La sobrecarga no se reduce en las líneas de alimentación principales
Compensación en grupo
Diagrama de conexión
arrancador
M
arrancador
M
C
Compensación central
Características y ventajas
Es la solución más general para corregir el factor de potencia.
El banco de capacitores se conecta en la acometida de la instalación.
Es de fácil supervisión.
Compensación central
Desventajas Se requiere de un regulador automático
del banco para compensar según las necesidades de cada momento.
La sobrecarga no se reduce en la fuente principal ni en las líneas de distribución.
Compensación central
Diagrama de conexión
C
Cálculo de los kVARs del capacitor
De la figura siguiente se tiene:
Como:
Por facilidad,
QQQ Lc
TanPQ *
)( 21 TanTanPQc
KPQc *
2
1LQ
Q
CQ
P
1S
2S
Cálculo de los kVARs del capacitor : Coeficiente K
FP d e s e a d oFP actual 0.8 0.85 0.9 0.95 1
0.3 2.43 2.56 2.695 2.851 3.180.4 1.541 1.672 1.807 1.963 2.2910.5 0.982 1.112 1.248 1.403 1.7320.6 0.583 0.714 0.849 1.005 1.3330.7 0.27 0.4 0.536 0.692 1.020.8 0.13 0.266 0.421 0.750.9 0.156 0.484
Ejemplo
• Se tiene un motor trifásico de 20 kW operando a 440 V, con un factor de potencia de 0.7, si la energía se entrega a través de un alimentador con una resistencia total de 0.166 Ohms calcular:
• a) La potencia aparente y el consumo de corriente
• b) Las pérdidas en el cable alimentador• c) La potencia en kVAR del capacitor que es
necesario para corregir el F.P. a 0.9• d) Repetir los incisos a) y b) para el nuevo factor
de potencia• e) La energía anual ahorrada en el alimentador
si el motor opera 600 h/mes
Solución
a) La corriente y la potencia aparente
b) Las pérdidas en el alimentador
AV
WI _49.37
7.0*440*3
000,201
kVAAVS
IVS
_571.2849.37*440*3
**3
1
WPerd
IRPerd
_70049.37*166.0*3
**32
1
2
FPV
P
CosV
PI
**3**3
Solución
c) Los kVAR del capacitor Nos referimos a la tabla del coeficiente “K” y se
escoge el valo rque está dado por el valor actual del FP y el valor deseado:
d.1) La corriente y la potencia aparente
kVARkWQ
KPQ
C
C
_72.10536.0*20
*
kVAAVS _22.2216.29*440*32
AV
WI _16.29
9.0*440*3
000,202
Solución
d.2) Las pérdidas en el alimentador
e) Energía anual ahorrada La reducción de las pérdidas:
La energía ahorrada al año:
Considerando a $ 0.122 por kWh, se tienen $ 242.88 de ahorro tan sólo en el alimentador
WPerd _45.42316.29*166.0*3 22
kWhmesesmeshW
E _8.19901000
12*/600*55.276 1000
_12*/* mesesmeshrsPE
WP _55.27645.423700 21 PerdPerdP
Ejemplo corrección factor de potencia
Potencia Reactiva (kVAR)requeridos para elevar el FP a:Mes
Demanda(kW)
Factor depotencia FP
0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00Enero 315 0.8888 12 34 57 84 117 193Febrero 294 0.7894 103 123 145 170 201 272Marzo 293 0.8583 40 60 82 107 138 208Abril 298 0.9249 -26 -5 17 42 74 146Mayo 326 0.9321 -37 -15 10 38 72 151Junio 328 0.9218 -25 -2 22 50 85 164Julio 322 0.8898 11 33 57 85 119 197Agosto 329 0.9021 -2 21 45 73 108 187septiembre 326 0.8237 79 102 126 154 188 267Octubre 333 0.8893 12 35 60 88 123 204Noviembre 321 0.8930 8 30 54 81 115 193Diciembre 321 0.9044 -5 17 42 69 103 180
FP promedio = 0.8848Calcular porcentaje de bonificación con un FP deseado de 0.98
Potencia reactiva (kVAR)
Potencia reactiva:
Potencia aparente (kVA)
Potencia activa (kW)
Potencia reactiva (kVAR)
kW
kVARtg
tg*kWkVAR
CosFP FPCos 1
FPCoskWkVAR 1tg*
kW
kVAR1tg
Compensación del FPPotencia reactiva
requeridaPotencia reactiva requerida para elevar el FP1 a un FP2
21
11 costgcostg FPFPkWkVAR
Corrección de potencia reactiva debida al voltaje
V1 = Voltaje de líneaV2 = Voltaje de diseño banco de capacitores
2
1
2
V
VkVARkVAR totales
Ejemplo: Compensación del FP
Datos: Factor de potenciaDemanda(kW) Actual (FP1) Deseado (FP2)315 0.8888 0.9600
Potencia reactiva requerida
719600.0costg8888.0costg315 11 kVAR
Corrección de potencia reactiva debida al voltaje
84
480
440
712
totaleskVAR
V1 = 440 Volts (voltaje de línea)
V2 = 480 Volts (voltaje de diseño banco de capacitores)
Ejemplo: Compensación del FP
Calculo del porcentaje de penalización con un factor de potencia promedio anual de 0.8848
%2.1 100 0.9800
0.9 1
4
1 (%) ónBonificaci
1.110010.8848
0.9
5
3(%)ónPenalizaci
Calculo del porcentaje de bonificación por mejorar el FP a 0.98
Nota: Los cargos o bonificaciones económicas se determinan al multiplicar la suma de los cargos por demanda y consumo de energía, multiplicados por los porcentajes de penalización o bonificación, según sea el caso
Consideraciones del FP (1)
Cargos y bonificaciones máximas
FP = 0.30 Penalización máxima 120%
FP = 1.00 Bonificación máxima 2.5%
Compensación individual de transformadores
De acuerdo con las normas técnicas para instalaciones
eléctricas, la potencia reactiva (kVAR) de los capacitores,
no debe exceder al 10% de la potencia nominal del
transformador
Consideraciones del FP (2)
Compensación individual de motores
Generalmente no se aplica para motores menores a 10
KW
Rango del capacitor
▪ En base a tablas con valores normalizados, o bien,
▪ multiplicar los hp del motor por 1/3
▪ el 40% de la potencia en kW
Tabla 2. NEMA diseño B. Motores en baja tensión, par de arranque normal y corriente normal
Motor de inducción
potencia (hp)
Velocidad nominal en r.p.m. y número de polos
3,600 1,800 1,200 900 720 600
2 4 6 8 10 12
5 2 2 3 3 4 5
7 ½ 2 ½ 3 3 4 6 7 ½
10 3 3 4 5 6 10
15 5 5 5 7 ½ 7 ½ 10
20 6 6 7 ½ 7 ½ 10 15
25 7 ½ 6 7 ½ 10 10 20
30 7 ½ 7 ½ 10 10 15 20
40 7 ½ 10 15 15 15 25
50 10 15 20 20 20 30
60 10 15 25 20 25 35
75 15 20 25 25 30 40
100 20 25 30 30 35 45
125 25 30 30 40 40 50
150 25 30 35 45 50 60
200 35 40 50 60 70 80
250 40 50 60 70 80 100
300 45 60 70 80 90 110
350 50 70 80 100 100 125
400 70 70 80 110 125 150
450 75 80 100 120 125 150
450 90 90 120 125 140 175
Tabla 3. NEMA diseño C. Motores en baja tensión, alto par de arranque y corriente normal
Motor de inducción potencia (hP)
Velocidad nominal en r.p.m. y número de polos
1,800 1,200 900 720
4 6 8 10
5 2 2 ½ 4 ---
7 ½ 3 3 4 ---
10 3 4 5 ---
15 4 5 7 ½ ---
20 4 5 7 ½ ---
25 5 5 10 ---
30 5 7 ½ 10 20
40 10 10 15 ---
50 15 10 20 25
60 15 20 25 25
75 20 20 30 35
100 25 25 40 40
125 30 35 40 45
150 35 40 45 50
200 45 50 60 60
250 50 60 70 75
300 60 70 80 80
350 70 75 90 100
Compensación individual en transformadores de distribuciónOtro método para corregir el factor de potencia es compensar la potencia
reactiva en los transformadores de distribución. La potencia total del banco de capacitores se calcula para compensar la potencia reactiva absorbida por
el transformador en vacío, que es del orden del 5 al 10% de la potencia nominal.
De acuerdo con las normas técnicas para instalaciones eléctricas, con el fin de evitar fenómenos de resonancia y sobretensión en vacío, la potencia total del banco de capacitores no debe exceder el 10% de la potencia nominal (en
kVA) del transformador.Existen tablas con valores recomendados para la compensación individual de
la potencia inductiva en los transformadores de distribución, en donde a la potencia nominal de cada transformador se le ha asignado la correspondiente
potencia del capacitor requerido, el cual deberá instalarse en el secundario del transformador, veáse Tabla 4
Tabla 4. Valores de capacitores para compensación individual en transformadores
Potencia nominal del
transformadorPotencia reactiva del capacitor en kVAr
100 4
160 6
250 15
400 25
630 40
1000 60
1600 100
Bancos automáticos de capacitores (1)
Cuenta con un regulador de VARS que mantiene el FP prefijado, ya sea mediante la conexión o desconexión de capacitores conforme sea necesario
Pueden suministrar potencia reactiva de acuerdo a los siguientes requerimientos: constantes variables instantáneos
Se evitan sobrevoltajes en el sistema
Bancos automáticos de capacitores (2)
Elementos de los bancos automáticos: Capacitores fijos en diferentes cantidades y potencias
reactivas (kVAR) Relevador de factor de potencia Contactores Fusibles limitadores de corriente Interruptor terno magnético general
Los bancos de capacitores pueden ser fabricados en cualquier No. De pasos hasta 27 (pasos estándar 5,7,11 y 15)
RELE VARIMETRICO
PARAMETROS:
FACTOR DE POTENCIA. CORRIENTE APARENTE. POTENCIA ACTIVA, REACTIVA Y APARENTE. ARMONICOS DE VOLTAJE Y CORRIENTE. TEMPERATURA. POTENCIA CAPACITIVA TOTAL PARA ALCANZAR EL FACTOR DE
POTENCIA SETEADO.
MONITORIZACION DE LOS NIVELES DE ARMONICOS
CUANDO SE TENGAN EN LA RED NIVELES DE ARMONICOS SUPERIORES A LOS SETEADOS, SE DESCONECTARAN AUTOMATICAMENTE TODOS LOS BANCOS DE CAPACITORES.
VENTAJAS DEL RELE VARIMETRICO
EVITA SOBRECOMPENSACIONES CUANDO SE TIENE POCA CARGA.
DESCONEXION DE TODOS LOS PASOS DE CAPACITORES CUANDO SE PRESENTAN SOBRECORRIENTES.
DESCONEXION AUTOMATICA DE LOS CAPACITORES CUANDO HAYA FALTA DE VOLTAJE Y/O FALTA DE CORRIENTE.
REGULACION EN LOS CUATRO CUADRANTES.
.
Bancos automáticos de capacitores (3)
El valor de los capacitores fijos depende del No. De pasos previamente seleccionado, así como, de la cantidad necesaria en kVAR’s para compensar el FP a 1.0
A mayor No. de pasos, el ajuste es más fino, dado que cada paso del capacitor es más pequeño, permitiendo lograr un valor más cercano a 1.0, no obstante ocasiona un mayor costo
La conmutación de los contactores y sus capacitores individuales es controlada por un regulador (vármetro)
Esquema de un banco automático de capacitores
22
MantenimientoPreventivo
y Correctivo
CFP Premium
El estado de funcionamiento de un capacitor se verifica:
Midiendo capacidad y tangente delta, luego realizando prueba de tensión y finalmente nuevamente
capacidad y tangente delta.
En la instalación no se puede controlar todo esto, sólo se puede
tener una idea a través de la medición de corriente.
En caso de bancos con capacitores monofásicos reemplazar siempre los capacitores de las tres fases,
para asegurar la confiabilidad de la
reparación.
Si hay fusibles quemados verifique el estado del capacitor antes de
reponerlos.
Si un capacitor está desconectado por sobrepresión, siempre verifique
el estado del contactor antes de reponerlo.
Si hay signos de sobrecalentamiento sobre cualquier componente del banco verifique la eficacia de la ventilación forzada y verifique el
contenido armónico sobre los capacitores.
Verifique tensión, sobretensiones, el tiempo de descarga y número de
conexiones.