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Redes de Distribucion Electrica

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Text of Redes de Distribucion Electrica

  • Redes de Distribucin de Energa

    SAMUEL RAMIREZ CASTAO

    Universidad Nacional de ColombiaTercera EdicinManizales

  • I.S.B.N 958-9322-86-7

    2004 UNIVERSIDAD NACIONALDE COLOMBIA SEDE MANIZALES

    AUTORSAMUEL RAMREZ CASTAOIngeniero ElectricistaEsp. en Ingeniera Elctrica con nfasisen Sistemas de DistribucinProfesor AsociadoUniversidad Nacional de ColombiaSede Manizales

    IMPRESOCentro de PublicacionesUniversidad Nacional de ColombiaSede Manizales

    Enero de 2004Tercera Edicin

  • Agradecimiento

    A los estudiantes

    Hctor Jaime Alzate y Jorge Alexander Gmez Escobarquienes realizaron el trabajo de levantamiento de texto,elaboracin de tablas y grficas en medio magntico,pgina web, para obtener una edicin final de excelentecalidad.

    A mi Madre, Luz Mary, Valentina y Geraldine por su paciencia y comprensin

    Redes de Distribucin de Energa

  • Redes de Distribucin de Energa

  • Redes de Distribucin de Energa I

    Tabla de contenido

    Pagina

    Introduccin

    CAPITULO 1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES 1

    1.1 Ubicacin y conformacin de un sistema de distribucin. 21.2 El proyecto integral de distribucin. 31.2.1 Flujograma de clculo. 31.2.2 Requisitos que debe cumplir un sistema de distribucin. 51.2.3 Diseo del sistema. 51.2.4 Seleccin de equipos. 51.3 Clasificacin de los sistemas de distribucin de acuerdo a su construccin. 61.3.1 Redes de distribucin areas. 61.3.2 Redes de distribucin subterrneas. 71.4 Clasificacin de los sistemas de distribucin de acuerdo a los voltaje nominales 81.4.1 Redes de distribucin secundarias 81.4.1.1 Monofsico trifilar 240/120V con punto central a tierra. 8

  • Tabla de contenido

    II Redes de Distribucin de Energa

    1.4.1.2 Trifsico tetrafilar 208/120 V con neutro a tierra y 220/127 V con neutro a tierra. 81.4.1.3 Trifsico en tringulo con transformadores monofsicos, de los cuales uno solo tiene

    conexin a tierra 240/120 voltios.8

    1.4.1.4 Trifsico 480/277 voltios en estrella. 81.4.1.5 Trifsico 480/240 voltios en delta. 81.4.2 Redes de distribucin primarias. 81.5 Clasificacin de las redes de distribucin de acuerdo a su ubicacin geogrfica 81.5.1 Redes de distribucin urbanas. 91.5.2 Redes de distribucin rurales. 101.5.3 Redes de distribucin suburbanas. 111.5.4 Redes de distribucin turisticas. 111.6 Clasificacin de las redes de distribucin de acuerdo al tipo de cargas. 111.6.1 Redes de distribucin para cargas residenciales. 111.6.2 Redes de distribucin para cargas comerciales. 111.6.3 Redes de distribucin para cargas industriales. 111.6.4 Redes de distribucin para cargas de alumbrado pblico 121.6.5 Redes de distribucin para cargas mixtas. 121.7 Clasificacin de las cargas de acuerdo a su confiabilidad. 121.7.1 Cargas de primera categoria. 121.7.2 Cargas de segunda categoria 121.7.3 Cargas de tercera categoria. 121.8 Aspectos generales sobre planeamiento de sistemas de distribucin. 121.8.1 Objetivos de planeamiento. 121.8.2 Proceso para el planeamiento. 131.8.3 Factores que afectan el planeamiento del sistema de dstribucin. 131.8.4 Tcnicas actuales de planeamiento de sistemas de distribucin. 151.8.5 Modelos de planeamiento de sistemas de distribucin. 161.8.6 Planeamiento de sistemas de distribucin. 16

    CAPITULO 2. CARACTERSTICAS DE LAS CARGAS. 17

    2.1 Influencia de las caractersticas de las cargas sobre redes de distribucin. 182.2 Densidad de carga. 182.3 Carga Instalada. 192.4 Capacidad instalada. 192.5 Carga mxima. 202.6 Nmero de horas de carga equivalente (EH) 20

  • Redes de Distribucin de Energa III

    2.7 Demanda 21

    2.8 Curvas de carga diaria. 212.9 Curvas de duracin de carga diaria 21

    2.10 Curva de carga anual. 232.11 Curva de duracin de carga anual 232.12 Tasa de crecimiento de la demanda 25

    2.13 Carga promedio de 26

    2.14 Factor de demanda 26

    2.15 Factor de utilizacin 26

    2.16 Factor de planta 27

    2.17 Factor de potencia 27

    2.18 Factor de carga 28

    2.19 Factor de diversidad del grupo 29

    2.20 Factor de coincidencia 31

    2.21 Factor de contribucin 32

    2.22 Curvas de demanda mxima diversificada. 332.23 Curvas de factores de diversidad. 342.24 Cargas de diseo para redes de distribucin. 352.25 Demanda coincidente por servicio y demanda total. 362.26 Mtodo analtico para determinar la demanda mxima. 372.27 Prdidas de potencia y energa. 442.28 Horas equivalentes de prdidas 44

    2.29 Factor de prdidas 45

    2.30 Porcentaje de prdidas y prdidas de potencia y energa. 462.31 El factor de prdidas en funcin de la curva de duracin de carga. 472.32 Relacin entre el factor de carga y el factor de prdidas. 56

    CAPITULO 3. PARMETROS BSICOS PARA EL CLCULO DE REDES DE DISTRIBUCIN. 65

    3.1 Los materiales para conductores electricos. 663.1.1 El cobre. 663.1.2 El aluminio. 66

    D t( )

    CDC t( )

    Dp

    FD

    FU

    FPL

    cos

    FC

    Fdiv

    Fco

    Ci

    LEH

    fperd

  • Tabla de contenido

    IV Redes de Distribucin de Energa

    3.2 Caractersticas generales de los conductores. 673.2.1 Densidad del cobre. 673.2.2 Densidad del alambre de acero revestido de cobre. 673.2.3 Densidad de los alambres de aluminio (estirado en frio comercialmente) 673.2.4 Densidad y peso especfico de alambre y acero galvanizado. 673.2.5 Porcentaje de conductividad. 683.2.6 Norma internacional de cobre recocido (IACS). 683.3 Propiedades de los conductores. 683.3.1 Conductores elctricos (formas). 683.3.2 Definiciones de los conductores elctricos. 683.3.3 Tamao de los conductores (AWG). 693.4 Los conductores trenzados. 703.4.1 Nmero de alambres en un conductor estndar. 703.4.2 Tamaos de alambres en conductores trenzados. 713.4.3 Dimetro de los conductores trenzados. 713.4.4 Area de los conductores trenzados. 723.4.5 Efectos del trenzado. 723.5 Conductores compuestos. 723.6 Resistencia de los conductores. 723.6.1 Resistencia a la corriente directa. 733.6.2 Efecto del cableado sobre la resistencia. 733.6.3 Efecto de la temperatura sobre la resistencia. 743.6.4 Resistencia a la corriente alterna. 763.7 Inductancia y reactancia inductiva. 823.7.1 Definicin de inductancia. 823.7.2 Inductancia de un conductor debida al flujo interno. 823.7.3 Inductancia de un conductor debido al flujo externo. 853.7.4 inductancia de una lnea bifilar monofsica. 863.7.5 Enlaces de flujo de un conductor en un grupo. 883.7.6 Inductancias de lneas de cables. 893.7.7 Radio medio geomtrico de los conductores RMG. 913.7.8 Distancia media geomtrica DMG. 923.7.9 Reactancia inductiva. 963.8 Resistencia y reactancia aparentes de cables subterrneos. 963.9 Induccin de cables en paralelo. 1023.10 Capacitancia y reactancia capacitiva. 104

  • Redes de Distribucin de Energa V

    3.10.1 Cable monopolar con cubierta o pantalla metlica. 1053.10.2 Cable tripolar con cubierta comn. 1063.10.3 Reactancia capacitiva. 1073.11 Clasificacin de las lneas segn su longitud. 1083.11.1 Lneas cortas. 1083.11.2 Lneas medianas. 1093.11.2.1 Circuito equivalente Te nominal. 109

    3.11.2.2 Circuito equivalente nominal. 110

    3.12 Clasificacin de las lneas segn sus caractersticas elctricas y magnticas. 1103.12.1 Lnea no inductiva con carga no inductiva. 1113.12.2 Lnea no inductiva con carga inductiva. 1113.12.3 Lnea inductiva con carga no inductiva 1123.12.4 Lnea inductiva con carga inductiva. 1123.12.4.1 Condiciones de recepcin conocidas. 1123.12.4.2 Condiciones de envio conocidas. 113

    CAPITULO 4. IMPEDANCIA, CADA DE VOLTAJE Y REGULACIN. 115

    4.1 Impedancia. 1164.2 Impedancia de secuencia cero 1184.2.1 Cable trifsico con forro metlico. 1184.2.2 Cables unipolares con forro metlico. 1244.3 Deduccin de la ecuacin para el momento elctrico en funcin de la regulacin

    conocidas las condiciones de recepcin.127

    4.4 Deduccin de la ecuacin para el momento elctrico en funcin de la regulacinconocidas las condiciones de envio.

    129

    4.5 Momento elctrico en funcin de la regulacin para los diferentes sistemas dedistribucin.

    131

    4.5.1 Sistema monofsico trifilar 1324.5.2 Sistema trifsico tetrafilar. 1324.5.3 Sistema bifsico bifilar (2f - 2H). 1324.6 Expresin general para el momento elctrico en funcin de la regulacin. 1344.7 Regulacin en una lnea con cargas uniformemente distribuidas. 1354.8 Factor de distribucin de carga para red radial con carga regular e irregular. 1364.9 Lmites de regulacin de tensin para lneas cortas. 1384.10 Deduccin de expresiones para el clculo de redes de distribucin de corriente

    continua.139

  • Tabla de contenido

    VI Redes de Distribucin de Energa

    CAPITULO 5. PRDIDAS DE ENERGA Y CALIBRE ECONMICO. 143

    5.1 Introduccin 1445.2 Prdidas en una lnea de distribucin con carga concentrada 1455.3 Prdidas de potencia en redes de distribucin de corriente continua. 1475.4 Prdidas de potencia en funcin de los datos de la curva de carga. 1495.5 Prdidas elctricas de una lnea de distribucin con una carga uniforme distribuda. 1525.6 Factor de distribucin de prdidas 1535.7 Niveles de prdidas normalizados para el sistema. 1565.8 Bases econmicas para optimizacin de prdidas. 1585.8.1 Modelo econmico de optimizacin de prdidas. 1585.8.2 Optimizacin econmica de prdidas en distribucin. 1635.8.3 El valor econmico del kW y del kWh de prdidas. 1655.9 Clculo de prdidas en sistemas de distribucin 1665.9.1 Sistema primario y secundario. 1665.9.2 Subestaciones y transformadores de distribucin. 1695.9.3 Correccin del factor de potencia. 1715.9.4 Procedimiento simplificado (primera aproximacin). 1725.10 Optimizacin de prdidas de distribucin. 1775.10.1 Separacin de prdidas tcnicas en los sitemas primarios. 1775.10.2 Separacin de prdidas tcnicas en transformadores de distribucin. 1795.10.3 Separacin de prdidas tcnicas en sistemas secundarios. 1815.10.4 Reduccin econmica de prdidas. 1825.10.5 Criterio de diseo. 1855.10.6 Requerimientos y trminos de las especificaciones para evaluar transformadores de

    distribucin.185

    5.11 Modelos analticos computarizados. 1865.11.1 Modelos de generacin. 1865.11.2 Modelos de transmisin. 1865.11.3 Modelos de subtransmisin. 1875.11.4 Modelo para el sistema primario. 1885.11.5 Modelo del transformador bsico. 1905.11.6 Modelo del transformador de potencia. 1905.11.7 Modelo de regulador. 1915.11.8 Modelo para transformadores de distribucin. 1915.11.9 Modelos para sistemas secundarios. 191

  • Redes de Distribucin de Energa VII

    5.12 Modelamiento de los contadores. 1935.12.1 Distribucin de la desviacin media y estndar de la muestra. 1935.12.2 Desarrollo del plan de muestreo. 1945.12.3 Modelo para distribucin de las medidas correctivas. 1965.13 Modelamiento de acometidas. 1985.14 Soluciones econmicas y criterios de seleccin del conductor econmico. 1995.15 Caractersticas de prdidas y cargabilidad econmica de transformadores de

    dsitrbucin.209

    5.15.1 Generalidades. 2095.15.2 Prdidas de potencia y energa. 2105.15.3 Valor presente de las prdidas y cargabilidad econmica. 2125.16 Mtodo SGRD (Sistema de Gerencia de Redes) de Optimizacin. 2175.16.1 Penalizacin a la probabilidad de prdida de carga (costo por baja confiabilidad). 2175.16.2 Costos de inversin. 2175.16.3 Funcin del costo. 2175.16.4 Planeamiento del problema de optimizacin. 2185.16.5 Solucin: punto ptimo de operacin de los transformadores existentes en la red. 2185.16.6 Solucion: transformador ptimo de un sistema de distribucin. 2195.16.7 Solucion: cargabilidad con adicin de transformadores a la red. 2205.16.8 Plan de accin. 2215.16.9 Consideraciones sobre niveles de prdidas contemplados en la norma ICONTEC. 2215.17 Conclusiones. 222

    CAPITULO 6. CAPACIDAD DE CONDUCCIN DE CORRIENTE. 225

    6.1 Corrientes en redes de distribucin areas. 2266.2 Corriente en cables subterrneos 2286.2.1 Ley de Ohm trmica. 2286.2.2 Resistencias trmicas. 2346.2.2.1 Clculo de las resistencias trmicas del aislamiento. 2346.2.2.2 Clculo de las resistividades trmicas de la cubierta. 2366.2.2.3 Clculo de las resistencias trmicas del aire dentro del ducto. 2376.2.2.4 Clculo de las resistencias trmicas del ducto. 2376.2.2.5 Clculo de las resistencias trmicas del terreno. 2376.3 Factor de prdidas en pantallas de los cables subterrneos. 2416.3.1 Cables monopolares en formacin trebol, pantallas aterrizadas en ambos extremos. 2416.3.2 Cables monopolares en formacin plana, pantallas aterrizadas en los extremos. 242

  • Tabla de contenido

    VIII Redes de Distribucin de Energa

    6.3.3 Cables tripolares con pantalla comn. 2436.4 Grficas de capacidad de corriente en cables subterrneos. 2436.5 Ejemplos 2656.5.1 Cables en charolas. 2656.5.2 Cables en ductos subterrneos. 2666.5.3 Cables directamente enterrados. 2666.5.4 Cables en canaletas (ejemplos de dimensionamiento). 2676.6 Tablas de capacidad de corriente para otras condiciones de instalacin. 2696.7 Capacidad de corriente del aluminio comparada con la del cobre. 278

    CAPITULO 7. SOBRECARGAS, CORTOCIRCUITO Y TENSIONES INDUCIDAS 281

    7.1 Sobrecargas. 2827.2 Cortocircuito. 2997.3 Tensiones inducidas en las pantallas metlicas. 3017.3.1 Conexin a tierra. 3037.3.2 Ejemplo. 304

    CAPITULO 8. CLCULO DE REDES DE DISTRIBUCIN PRIMARIAS AREAS. 3078.1 Generalidades. 3088.2 Factores que afectan la seleccin de la potencia nominal de alimentadores primarios. 3098.3 Comparacin entre SDA (Sistemas de distribucin areos) y los SDS (Sistemas de

    distribucin Subterrneos).309

    8.3.1 Confiabilidad. 3098.3.2 Equipo. 3108.3.3 Terminologa comn para suiches de SDA y SDS. 3108.3.3.1 Seccionador de apertura bajo carga (Loadbreak). 3108.3.3.2 Rgimen nominal continuo (Continuos rating). 3108.3.3.3 Rgimen nominal momentneo (Momentary rating). 3118.3.3.4 Rgimen nominal de cortacircuito (Short circuit rating). 3118.3.3.5 Cierre y enclavamiento (Close and latch). 3118.3.3.6 Nivel Bsico de aislamiento (BIL). 3118.4 TOPOLOGAS BSICAS 3118.4.1 Alimentador primario tipo radial. 3118.4.2 Anillo primario 3148.4.3 Sistema de red primaria. 3148.5 Niveles de voltaje de alimentadores. 316

  • Redes de Distribucin de Energa IX

    8.6 Cargas, ruta, nmero y tamao de conductores de alimentadores primarios. 3208.7 Lneas de enlace. 3218.8 Salida de alimentadores primarios, desarrollo tipo rectangular. 3218.8.1 Mtodo de desarrollo para reas de alta densidad de carga (secuencia 1-2-4-8-12 circuitos

    alimentadores).321

    8.8.2 Mtodo de desarrollo para reas de baja densidad de carga (secuencia 1-2-4-6-8-12alimentadores primarios).

    322

    8.9 Desarrollo tipo radial. 3238.10 Tipos de circuitos de distribucin primaria. 3238.10.1 Sistemas 3 - 4H con neutro multiaterrizado (figura 8-11). 3238.10.2 Sistema 3 - 3H servido de transformadores en 3278.10.3 Sistema 3 - 4H con neutro uniaterrizado. 3278.10.4 Sistema 3 - 4H con neutro uniaterrizado sin neutro. 3288.10.5 Laterales 2 - 2H sin neutro. 3288.10.6 Laterales 1 - 2H uniaterrizados. 3318.10.7 Laterales 1 - 2H con neutro comn multiaterrizado. 3328.10.8 Laterales 2 - 3H (Y abierta). 3348.10.9 Laterales 2 - 3H con neutro comn multiaterrrizado. 3368.11 Mtodo para el clculo definitivo de regulacin y prdidas en lneas de distribucin

    primaria.337

    8.11.1 Clculo del momento elctrico y las constantes de regulacin y prdidas. 3378.11.2 Cargas primarias de diseo. 3388.11.3 Ejemplo prctico. 3438.12 Normas tcnicas para la construccin de redes primarias areas. 3448.12.1 Apoyos. 3448.12.2 Crucetas. 3448.12.3 Configuracin estructurales. 3458.12.3.1 Estructuras de retencin. 3458.12.3.2 Estructuras de suspensin. 3458.12.3.3 Estructuras de suspensin doble. 3458.12.3.4 Estructura tipo combinada. 3458.12.4 Conductores. 3458.12.5 Aislamiento. 3508.12.6 Proteccin y seccionamiento. 350

    CAPITULO 9. CLCULO DE REDES PRIMARIAS SUBTERRNEAS. 387

  • Tabla de contenido

    X Redes de Distribucin de Energa

    9.1 Generalidades. 3889.2 Cables directamente enterrados. 3889.2.1 Trayectoria. 3889.2.2 Configuracin de cables. 3899.2.3 Zanjas. 3909.2.3.1 Tipos de terreno. 3909.2.3.2 Aviso y protecciones. 3909.2.3.3 Las excavaciones. 3919.2.4 Instalacin de cables. 3919.2.4.1 Equipos. 3939.2.4.2 Tipos de instalacin. 3939.2.4.3 Actividades comunes para los tipos de instalacin anteriores. 3949.2.5 Recomendaciones. 3959.3 Cables en ductos subterrneos. 3959.3.1 Trayectoria. 3959.3.2 Ductos. 3959.3.2.1 Seleccin. 3959.3.2.2 Dimensiones y configuracin. 3969.3.2.3 Materiales. 3969.3.3 Apertura de zanja. 4009.3.3.1 Dimensiones. 4019.3.3.2 Mtodos. 4019.3.3.3 Troquelado. 4039.3.4 Pozos de visita (cmara de inspeccin y empalme). 4039.3.5 Limpieza, verificacin y guiado de ductos. 4039.3.6 Parmetros considerados previos a la instalacin. 4059.3.6.1 Tensiones y longitud mxima de jalado. 4069.3.6.2 Presin lateral en curvas. 4109.3.6.3 Friccin. 4179.4 Radios mnimos de curvatura. 4179.4.1 Radios mnimos de curvatura permitidos en la instalacin de cables. 4189.4.1.1 Cables aislados vulcanel EP XLP, sintenax, polietileno. 4189.4.1.2 Cables DRS (Distribucin Residencial Subterrnea). 4199.4.1.3 Cables con aislamiento de papel impregnado. 4199.4.1.4 Cables sintenax. 4199.4.1.5 Cables armaflex 419

  • Redes de Distribucin de Energa XI

    9.4.2 Dimetros mnimos del tambor del carrete para enrollado de cable. 4199.4.2.1 Cables con aislamiento XLP, EPR, PVC, y POLIETILENO. 4199.4.2.2 Cables aislados con papel y cubierta de plomo. 4209.5 Instalacin de cables subterrneos. 4209.5.1 Preparativos anteriores al tensionado. 4209.5.2 Equipos y materiales. 4229.5.3 Recomendaciones. 4249.5.4 Procedimiento de instalacin. 4249.5.5 Identificacin de cables. 4269.5.6 Cables en tuberias metlicas. 4279.5.7 Gua para la seleccin del tipo de instalacin subterrnea. 4279.6 Forma de los cables. 4279.7 Aislamiento. 4289.7.1 Aislamiento de papel impregnado. 4289.7.2 Aislamiento tipo seco. 4299.7.2.1 Aislamiento XLEP. 4299.7.2.2 Aislamiento EPR. 4299.8 Seleccin de las cubiertas. 4309.9 Trazado de redes subterrneas (seleccin de la ruta). 4349.10 Metodologa para el clculo de regulacin y prdidas en redes primarias

    subterrneas.434

    9.10.1 Clculo del momento elctrico y las constantes de regulacin y prdidas. 4369.10.2 Seleccin del calibre. 4369.10.3 Verificacin de la regulacin y el nivel de prdidas. 4379.10.4 Verificacin de temperaturas. 4379.11 Ejemplo. 4409.12 Normas tcnicas para la construccin (resumen). 4479.12.1 Ductos. 4479.12.2 Zanjas. 4489.12.2.1 Configuracin de zanjas de bajo andn. 4489.12.2.2 Configuracin de las zanjas bajo calzada. 4499.12.2.3 Disposicin de tres ductos enlazados. 4499.12.2.4 Disposicin de tres ductos en tringulo enlazados. 4499.12.2.5 Disposicin de los ductos por filas en las zanjas. 4499.12.2.6 Disposicin horizontal de cuatro ductos. 4499.12.2.7 Disposicin de ductos entre la subestacin interior y la primera cmara. 449

  • Tabla de contenido

    XII Redes de Distribucin de Energa

    9.12.3 Cmaras de paso o inspeccin. 4509.12.4 Cmaras de empalme. 4519.12.5 Cmaras de equipo. 4519.12.6 Notas acerca de las cmaras. 4529.12.7 Conductores. 4539.12.7.1 Tipo. 4539.12.7.2 Blindaje. 4539.12.7.3 Aislamiento. 4539.12.7.4 Blindaje del aislamiento. 4539.12.7.5 Pantalla metlica. 4549.12.7.6 Chaqueta exterior. 4549.12.7.7 Calibres del conductor. 4549.12.7.8 Nivel de aislamiento. 4549.12.7.9 Factor de correccin. 4559.12.7.10 Radio mnimo de curvatura. 4559.12.7.11 Calibre mnimo del neutro. 4559.12.8 Empalmes. 4769.12.8.1 Empalmes en cinta. 4769.12.8.2 Empalems premoldeados. 4769.12.8.2.1 Empalmes premoldeados permanetes. 4779.12.8.2.2 Empalmes premoldeados desconectables. 4789.12.9 Terminales. 4879.12.9.1 Principio de operacin. 4879.12.9.2 Tipos de terminales para media tensin. 4889.12.10 Afloramiento y transiciones. 4899.12.11 Conexin a tierra. 4909.13 Mantenimiento de cables. 4959.13.1 Cmaras. 4959.13.2 Empalmes y terminales. 4969.13.3 Conexin a tierra de circuito de pantalla de los conectores premoldeados. 4969.13.4 Pruebas de mantenimiento. 4979.13.4.1 Prueba de resistencia de mantenimiento. 4979.13.4.2 Prueba de alta tensin en corriente continua. 4979.14 Localizacin de fallas en cables subterrneos. 4989.14.1 Aspectos generales. 4989.14.2 Clasificacin de mtodos para la localizacin de fallas. 499

  • Redes de Distribucin de Energa XIII

    9.14.2.1 Mtodo aproximado. 4999.14.2.2 Mtodo exacto. 4999.14.2.3 Tipo de falla. 4999.14.2.4 Aplicacin de los mtodos. 5019.14.3 Recomendaciones. 507

    CAPITULO 10. CLCULO DE REDES SECUNDARIAS. 509

    10.1 Generalidades. 51010.2 Criterios para fijacin de calibres y aspectos a considerar durante el diseo. 51010.3 Tipos de sistemas y niveles de voltajes secundarios. 51210.3.1 Sistema monofsico trifilar (1 - 3H) 120/240 V. 51210.3.2 Sistema trifsico tetrafilar (3 - 4H) 208/120 V 214/123 V 220/127 V 480/277 V. 51210.4 Prcticas de diseo actuales 51310.4.1 Sistema radial. 51310.4.2 Bancos secundarios. 51410.4.3 Sistemas selectivo secundario. 51710.4.4 Redes spot secundarias. 51810.4.5 La red secundaria tipo reja. 51810.4.5.1 Secundarios principales. 52010.4.5.2 Limitadores. 52010.4.5.3 Protectores de red (NP). 52110.4.5.4 Interruptores de alto voltaje. 52310.4.5.5 Transformadores de red. 52310.5 Mtodo para el clculo definitivo de las redes de distribucin secundarias. 52510.5.1 Clculo del momento elctrico y las constantes de regulacin y prdidas. 52610.5.2 Cargas secundarias de diseo. 52610.6 Consideraciones previas al clculo de redes de distribucin secundarias. 53310.7 Clculo de redes radiales. 53410.7.1 Lneas de derivacin simple. 53410.7.2 Lneas de alimentacin. 53510.7.3 Lneas con cargas uniformente distribuidas. 53610.7.4 Lnea con carga uniformente distribuida en una parte de ella. 53710.7.5 Lneas de derivacin multiple de seccin constante (carga punto a punto con origen de

    momentos fijo.537

    10.7.6 Lneas con carga uniformente distribuidas con cargas irregulares (con seccin constante). 539

  • Tabla de contenido

    XIV Redes de Distribucin de Energa

    10.7.7 Lneas de derivacin multiple con seccin constante (carga concentrada punto a punto conmomentos variables.

    539

    10.7.8 Diseo telescopico. 54010.7.9 Lneas con ramificaciones. 54010.8 Clculo de redes en anillo sencillo. 54610.9 Clculo de redes en anillo doble. 55610.9.1 Clculo de anillos dobles con el mismo calibre del conductor. 55810.9.2 Clculo de anillos dobles con diferente calibre del conductor. 56110.10 Clculo de redes en anillo triple. 56310.11 Redes enmalladas. 56810.12 Normas tcnicas para la construccin de redes de distribucin secundarias areas. 57210.12.1 Voltajes. 57210.12.2 Apoyos. 57210.12.3 Configuraciones estructurales. 57210.12.4 Herrajes. 57310.12.5 Conductores. 57310.12.6 Aislamiento. 57410.12.7 Configuracin de la red. 57410.12.8 Proteccin. 57510.13 Normas tcnicas para la construccin de redes de distribucin secundaria

    subterrnea.583

    10.13.1 Generalidades. 58310.13.2 Ductos. 58310.13.3 Zanjas. 58310.13.3.1 Configuracin de las zanjas bajo andn. 58310.13.3.2 Configuracin de las zanjas bajo calzada. 58310.13.4 Disposicin de los ductos en zanjas. 58310.13.5 Cmara de paso y de empalme. 58410.13.6 Conductores. 58410.13.7 Empalmes. 58410.13.8 Acometidas. 58510.13.9 Conexin a tierra. 585

    CAPITULO 11. SUBESTACIONES DE DISTRIBUCIN 591

    11.1 Definicin. 59211.2 Subestacin area. 592

  • Redes de Distribucin de Energa XV

    11.2.1 Transformadores. 59211.2.2 Disposiciones mnimas para el montaje. 59211.3 Subestaciones en el piso. 59711.3.1 Subestacin interior. 59711.3.1.1 Subestacin en pedestal (pad mounted). 59711.3.1.2 Subestacin capsulada. 59911.3.2 Subestacin interperie. 60811.3.2.1 Subestacin en pedestal (pad mounted). 60811.3.2.2 Subestacin enmallada. 60811.4 Subestaciones subterrneas. 60811.5 Descripcin de las celdas de una subestacin interior. 60911.5.1 Celdas de baja tensin. 60911.5.2 Celda para transformador. 61111.5.3 Celda de media tensin para seccionadores. 61211.6 Normalizacin de plantas de emergencia. 61311.6.1 Especificaciones. 61311.6.2 Configuracin del conjunto elctrico de suplencia. 61511.6.3 Capacidad del grupo elctrico. 61711.6.4 Normas de montaje e instalacin de grupos generador elctrico diesel. 61711.6.4.1 Espacio requerido y localizacin del grupo generador. 61711.6.4.2 Soporte del conjunto - bases. 61811.6.4.3 Vibraciones. 62011.6.4.4 Ventilacin. 62111.6.4.5 Tubera de escape del motor y aislamineto. 62211.6.4.6 Enfriamiento del motor. 62511.6.4.7 Sistema de combustible. 62611.6.4.8 Sistemas elctricos. 62611.6.4.9 Dimensiones de las salas de mquinas. 62711.7 Descripcin de los componentes bsicos de una subestacin. 62711.7.1 Pararrayos. 62711.7.2 Cortacircuitos. 63011.7.3 Hilos fusible. 63211.7.4 Seccionador tripolar para operacin sin carga. 63211.7.5 Seccionador tripolar bajo carga. 63411.7.5.1 Aplicacin. 63411.7.5.2 Construccin. 634

  • Tabla de contenido

    XVI Redes de Distribucin de Energa

    11.7.5.3 Accionamiento y disparo. 63411.7.5.4 Funcionamiento. 63611.7.5.5 Condiciones de funcionamiento. 63711.7.5.6 Mantenimiento. 63811.8 Fusibles de alta tensin HH. 64011.8.1 Aplicacin. 64011.8.2 Construccin. 64011.8.3 Funcionamiento. 64111.8.4 Capacidad de ruptura. 64211.8.5 Limitaciones de corriente. 64211.8.6 Curvas caractersticas del tiempo de fusin. 64311.8.7 Proteccin de transformadores. 64311.8.8 Proteccin de motores de alta tensin. 64511.8.9 Proteccin de condensadores. 64511.8.10 Seleccin de fusibles. 64611.9 Malla de puesta a tierra 64611.9.1 Generalidades. 64611.9.2 Seleccin de conductor. 64711.9.3 Escogencia de la configuracin de la malla. 64811.9.4 Clculo de las tensiones de paso y de contacto mximas permitidas por el cuerpo humano. 64811.9.5 Clculo de la resistencia de la malla. 64911.9.6 Clculo de la tensin de paso y de contacto reales. 651

    CAPITULO 12. PROTECCIN DE REDES DE DISTRIBUCIN CONTRA SOBRECORRIENTES. 653

    12.1 Conceptos bsicos. 65412.1.1 Funciones de un sitema de proteccin contra sobrecorrientes. 65412.1.1.1 Aislar fallas permanetes. 65412.1.1.2 Minimizar en nmero de fallas permanentes y de salida. 65512.1.1.3 Minimizar el tiempo de localizacin de fallas. 65512.1.1.4 Prevenir contra dao el equipo. 65512.1.1.5 Minimizar la probabilidad de cada de los conductores. 65612.1.1.6 Minimizar las fallas internas de los equipos. 65612.1.1.7 Minimizar los accidentes mortales. 65712.1.2 Condiciones que debe cumplir el sistema de proteccin de sobrecorriente. 65712.1.2.1 Seguridad. 657

  • Redes de Distribucin de Energa XVII

    12.1.2.2 Sensitividad. 65712.1.2.3 Selectividad. 65812.1.3 Efecto de la distancia sobre la corriente de falla. 65812.2 Cortacircuitos fusible. 65812.2.1 Componentes. 65812.2.2 Operacin. 66112.3 Listn fusible o elemento fusible. 66312.3.1 Funcin. 66312.3.2 Tipo de fusibles. 66312.3.2.1 Fusibles de potencia. 66312.3.2.2 Fusibles de distribucin. 66312.3.3 Aspectos generales para la seleccin de fusibles de media tensin 66412.3.3.1 Fusibles de distribucin. 66412.3.3.2 Fusibles de potencia. 66512.4 Fusibles de expulsin. 66912.4.1 Diseo. 66912.4.2 Operacin. 66912.4.3 Relacin tiempo - corriente (curvas caractersticas t - i). 67712.4.4 Fusibles lentos - fusibles rapidos y de alta descarga. 68012.5 Fusibles limitadores de corriente. 68212.5.1 Construccin. 69012.5.2 Operacin. 69112.5.3 Tipos de fusibles limitadores de corriente. 69912.5.3.1 De propsito general. 69912.5.3.2 Fusibles de respaldo. 70012.5.3.3 Fusibles de rango completo full range. 70112.6 Fusible electrnico. 70912.7 Fusible en vaco. 71012.8 Factores de seleccin para elementos fusible y cortacircuito. 71012.8.1 Para seleccin de cortocircuitos. 71012.8.1.1 Seleccin de de la corriente nominal. 71112.8.1.2 Seleccin de voltajes nominales (fusibles de expulsin). 71112.8.1.3 Reglas de seleccin. 71112.8.2 Aplicacin de los eslabones fusible. 71412.8.2.1 Para fusibles en lneas con propsito de seccionamiento. 71412.8.2.2 Para proteccin de equipos. 714

  • Tabla de contenido

    XVIII Redes de Distribucin de Energa

    12.8.3 Variables de operacin de los fusibles. 71412.8.3.1 Precarga. 71412.8.3.2 Temperatura ambiente. 71412.8.3.3 Calor de fusin. 71412.9 Proteccin de transformadores de distribucin con fusibles. 71512.9.1 Factores a considerar. 71512.9.2 Criterios de seleccin de fusibles. 71612.9.2.1 Consideraciones de daos del tanque del transformador. 71612.9.2.2 Corriente de energizacin o puesta en servicio (inrush). 71712.9.2.3 Corrientes de puesta en marcha en fro. 71712.9.2.4 Dao trmico del transformador. 71712.9.3 Filosofa de proteccin con fusibles. 71712.9.4 Efecto de las descargas atmosfricas. 72112.9.5 Caractersticas del sistema de suministro. 72112.9.6 Ejemplos. 72212.9.7 Fusibles primarios del transformador. 72312.9.8 Proteccin con fusibles del secundario de transformadores pequeos. 72612.10 Proteccin de bancos de capacitores con fusibles. 72912.10.1 Caractersticas de los capacitores. 72912.10.2 Reglas fundamentales de proteccin con fusibles. 73412.10.3 Tipos de proteccin con fusibles. 73412.11 Protecciones de derivaciones 73612.11.1 Proteccin de derivaciones laterales con fusibles. 73612.11.2 Proteccin de transiciones (derivacion subterrnea a partir de una red erea). 73612.12 Interruptores automticos (con recierre). 73712.12.1 Definicin. 73612.12.2 Apagado del arco. 73812.12.3 Mecanismos de almacenamiento de energa. 73812.12.4 Valores nominales para interruptores de alimentadores de distribucin. 73812.12.5 Diferencias entre SF6, aceite y aire. 74012.12.6 Caractersticas generales de los relevadores. 74012.12.7 Calibracin del rel de sobrecorriente. 74712.13 Restauradores (Automatic Circuit Reclosers). 75012.13.1 Defincin. 75012.13.2 Tipos de restauradores. 75112.13.3 Lugares ms lgicos de instalacin. 751

  • Redes de Distribucin de Energa XIX

    12.13.4 Factores de aplicacin de restauradores. 75112.13.5 Diferentes secuencias de operacin de restauradores. 75212.13.6 Valores nominales de corriente asimtrica. 75212.13.7 Clases de reclosers: monofsicos y trifsicos. 75312.13.8 Tipos de control: hidrulico o electrnico. 75312.13.9 Tipos de aislamiento. 75312.13.10 Caractersticas nominales de los reclosers. 75312.14 Seccionalizadores automticos. 75512.14.1 Definicin. 75512.14.2 Modos de operacin de seccionalizadores. 75512.14.3 Requerimientos para aplicacin de seccionalizadores. 75612.14.4 Ventajas de los seccionalizadores. 75712.14.5 Desventajas de los seccionalizadores. 75712.14.6 Tipos de seccionalizadores. 75812.14.6.1 Seccionalizadores hidrulicos. 75812.14.6.2 Seccionalizadores electrnicos. 75912.14.7 Conteos. 76012.14.8 Trminos que definen la operacin. 76112.14.9 Valores nominales de los seccionalizadores. 76112.15 Coordinacin de dispositivos de proteccin en serie. 76312.15.1 Principios de coordinacin. 76312.15.2 Coordinacin fusibles de expulsin - fusibles de expulsin. 76312.15.2.1 Mtodo 1: usando curvas tiempo - corriente. 76312.15.2.2 Mtodo 2: usando tablas de coordinacin. 76512.15.2.3 Mtodo 3: reglas prcticas o empricas. 76612.15.3 Coordinacin fusible limitador de corriente - fusible de expulsin. 77012.15.4 Coordinacin fusible de expulsin - FLC. 77112.15.5 Coordinacin FLC - FLC. 77312.15.6 Coordinacin interruptor relevador - fusible ( feeder selective ralaying FRS). 77712.15.6.1 Autoextincin de descargas. 77912.15.6.2 Eliminacin del recierre instantneo. 78012.15.6.3 Calidad de potencia. 78112.15.6.4 Esquema de corriente alta / baja. 78112.15.7 Coordinacin relevador - recloser. 78112.15.8 Coordinacin recloser - fusible (lateral). 78612.15.8.1 Tamao estandarizado del fusible. 787

  • Tabla de contenido

    XX Redes de Distribucin de Energa

    12.15.8.2 Nivel de carga. 78812.15.8.3 Coordinacin con relevador selectivo de alimentador (FSR) 78912.15.8.4 La coordinacin adecuada recloser - fusible. 78912.15.9 Coordinacin recloser - recloser. 79012.15.10 Coordinacin recloser - fusible de alto voltaje de transformador de la subestacin. 79212.15.11 Principios bsicos de coordinacin que deben ser observados en la aplicacin de

    seccionalizadores.794

    CAPITULO 13. PROTECCIN DE REDES DE DISTRIBUCIN CONTRA SOBRETENSIONES. 798

    13.1 Caractersticas de la descarga atmosfrica. 79813.1.1 Conductor de descarga (predescarga). 79813.1.2 Duracin de la descarga. 79813.1.3 Magnitudes de corriente. 79913.1.4 Tasa de elevacin. 79913.1.5 Descargas mltiples. 80013.1.6 Polaridad. 80013.1.7 Nivel isocerunico. 80013.2 Causas de sobrevoltaje. 80013.2.1 Descargas atmosfricas. 80013.2.2 Desplazamientos de neutro durante fallas lnea - tierra. 80013.2.3 Operacin de fusibles limitadores de corriente. 80013.2.4 Ferroresonancia (FR). 80013.2.5 Conmutacin de capacitores. 80213.2.6 Corrientes cortadas 80513.2.7 Contacto accidental con sistemas de alto voltaje. 80613.3 Pararrayos de carburo de silicio vs mov. 80613.4 Clases de pararrayos. 80813.5 Seleccin de pararrayos. 80913.5.1 MCOV: Voltaje mximo de operacin continua. 80913.5.2 TOV: Sobrevoltaje temporal. 81013.5.3 Seleccin. 81213.5.4 Consideraciones en las aplicaciones de MOVs. 81213.5.4.1 Regulacin de voltaje. 81313.5.4.2 Ferroresonancia. 81413.5.4.3 Cogeneracin. 81413.5.4.4 Fallas lnea - tierra. 814

  • Redes de Distribucin de Energa XXI

    13.6 Coordinacin de aislamiento. 81513.6.1 Mrgenes para equipo de redes areas. 81513.6.1.1 Frente de onda de la descarga disruptiva. 81613.6.2 Mrgenes para equipo subterrneo. 81813.6.3 Factores que afectan los mrgenes. 81913.6.3.1 Tasa de elevacin / caractersticas de los pararrayos. 81913.6.3.2 Longitud del conductor. 81913.6.3.3 Deterioro del BIL. 82013.6.3.4 Reflexiones. 82113.6.3.5 Otros. 82113.6.4 Consideraciones a tener en cuenta en el clculo de los mrgenes. 82213.6.5 Efecto de las ondas viajeras. 82413.7 Ondas viajeras. 82513.7.1 Duplicacin de voltaje. 82513.7.2 Carga negativa atrapada. 82513.7.3 Cuadruplicacin del voltaje. 82613.7.4 Lateral derivado. 82713.7.5 Efecto de la longitud del lateral. 82913.7.6 Resumen de las recomendaciones. 83113.8 Proteccin de lneas. 83213.8.1 Aislamiento de lnea. 83213.8.2 Tipos de proteccin contra descargas atmosfericas. 83313.8.2.1 Sin proteccin. 83313.8.2.2 Cable guarda (apantallamiento). 83313.8.2.3 Pararrayos en la fase superior. 83413.8.2.4 Pararrayos en las dos fases. 83413.8.2.5 Pararrayos en todas las fases (sistema trifsico). 83513.8.3 Comparacin de los esquemas de proteccin de lnea. 83513.9 Descargas inducidas. 83613.10 Metodologa para calcular el desempeo de las lneas de distribucin ante la

    incidencia de descargas atmosfricas.837

    13.10.1 Preliminares. 83713.10.2 Descargas directas en las lneas. 83813.10.3 Descargas indirectas (o inducidas). 84113.10.4 Flameos producidos por descargas indirectas. 84313.10.5 Clculo de las ratas de salidas causadas por descargas para sistemas de distribucin. 843

  • Tabla de contenido

    XXII Redes de Distribucin de Energa

    Indice de grficas 847Indice de tablas 865Bibliografa 875Indice general 881

  • Redes de Distribucin de Energa i

    Introduccin

    El mundo tiene una fuerte dependencia de la energa elctrica. No es imaginable lo que sucedera si estamateria prima esencial para mover el desarrollo de los pases llegase a faltar. Est fuera de cualquier discusinla enorme importancia que el suministro de electricidad tiene para el hombre hoy, que hace confortable la vidacotidiana en los hogares, que mueve efectivamente el comercio y que hace posible el funcionamiento de laindustria de la produccin. El desarrollo de un pas depende de su grado de industrializacin y este a su veznecesita de las fuentes de energa, especialmente de la energa elctrica.

    Un sistema elctrico de potencia tiene como finalidad la produccin de energa elctrica en los centros degeneracin (centrales trmicas e hidrulicas) y transportarla hasta los centros de consumo (ciudades, poblados,centros industriales, tursticos, etc). Para ello, es necesario disponer de la capacidad de generacin suficiente yentregarla con eficiencia y de una manera segura al consumidor final. El logro de este objetivo requiere larealizacin de grandes inversiones de capital, de complicados estudios y diseos, de la aplicacin de normasnacionales e internacionales muy concretas, de un riguroso planeamiento, del empleo de una amplia variedadde conceptos de Ingeniera Elctrica y de tecnologa de punta, de la investigacin sobre materiales mseconmicos y eficientes, de un buen procedimiento de construccin e interventoria y por ultimo de la operacinadecuada con mantenimiento riguroso que garantice el suministro del servicio de energa con muy buenacalidad.

    Pero el sistema de distribucin no ha recibido el mismo tratamiento en el pasado, slo en las ltimas dcadas, elsector elctrico colombiano ha comprendido que esta parte del sistema de potencia, tambin merece toda laatencin a lo largo del proceso, desde el planeamiento hasta la operacin ya que es aqu donde la calidad delservicio se deteriora, donde se presenta el mayor nivel de prdidas tcnicas y donde el sistema se hacevulnerable y queda expuesto a robos, fraudes y otras prdidas no tcnicas.

    En la dcada de los 80, el sector elctrico colombiano vi con mucha preocupacin que las prdidas deenerga alcanzaban el 30 % de la generacin total con consecuentes perjuicios econmicos para las empresasdistribuidoras, lo que implicaba una carga financiera muy pesada, pues obligaba la realizacin de inversiones

  • Introduccin

    ii Redes de Distribucin de Energa

    adicionales en generacin para satisfacer la demanda real ms el suministro de prdidas. Esto sucedaprincipalmente porque las redes de distribucin para entonces ya eran obsoletas, con altos niveles desobrecarga, topologas inadecuadas sin ningn planeamiento que pretendan intilmente mejorar lascondiciones del servicio.

    El sector elctrico colombiano se vi obligado a aplazar los proyectos de generacin y de transmisinpendientes y emprender un gigantesco plan de recuperacin de prdidas a nivel de distribucin. Se dio inicioentonces a la remodelacin de la mayora de las redes existentes haciendo todo el despliegue de recursoshumanos, tcnicos y econmicos. Fue necesario emplear programas y herramientas computacionales con el finde plantear y evaluar las diferentes alternativas de solucin.

    En la dcada de los 90 apareci la Ley Elctrica que impuls la reorganizacin del sector, lo abri a unmercado de libre competencia, estableci una clasificacin de usuarios (regulados y no regulados), permiti laposibilidad de la apertura para eliminar los monopolios. Se cre la Comisin Reguladora de Energa y Gas(CREG) y la superintendencia de Servicios Pblicos (SSP). Apareci el Cdigo Elctrico Colombiano y elCdigo de Distribucin.

    Actualmente las empresas de energa aun continan con el plan de recuperacin de prdidas y tiene comoprincipal objetivo, aumentar la eficiencia en el planeamiento, diseo, construccin y operacin de las redes (contendencia hacia la automatizacin) para cumplir con las metas impuestas por la CREG y la SSP. Dichasimposiciones pretenden el mejoramiento de ndices de confiabilidad en la prestacin del servicio tales como laduracin y la frecuencia de las interrupciones al usuario. Se obliga entonces a las empresas distribuidoras ycomercializadoras a compensar a los abonados por los perjuicios econmicos causados cuando se sobrepasanlas metas.

    La presente obra es el resultado de muchos aos de investigacin, de consulta de una extensa bibliografasobre el tema, de mi labor como docente, y motivada por el ferviente deseo de estructurar la asignaturaSistemas de Distribucin y la lnea de Profundizacin ttulo con la permanente actualizacin de mtodos ytcnicas de anlisis. El resultado es un compendio en un texto gua de carcter didctico del programa de laasignatura y donde mis colegas ingenieros electricistas encontrarn una buena herramienta de trabajo.

    El texto comienza con una exposicin de los conceptos fundamentales que ubican al lector en el sistemaobjeto del presente estudio, se hace una clasificacin de los sistemas de distribucin y se repasan aspectosgenerales sobre planeamiento. El captulo 2 contiene una descripcin de los factores necesarios para lacaracterizacin de la carga, que definen el comportamiento de estas y facilitan la tarea durante las actividadesde gestin de carga.

    En los captulos 3 y 4 se describen los parmetros bsicos para el clculo de redes de distribucin y quepermiten determinar la impedancia, las cadas de voltaje y la regulacin en funcin del momento elctrico. Seexpone adems, una metodologa para realizar el clculo exacto de los circuitos y se deducen expresiones pararedes de corriente alterna y de corriente continua.

    En el captulo 5 se muestra una amplia discusin sobre prdidas de potencia y energa, se describenmetodologas para enfrentar los estudios de prdidas y se deducen expresiones para calcular el porcentaje deprdidas en funcin del momento elctrico. Igualmente se exponen criterios para hallar el calibre econmico y lacargabilidad econmica de transformadores de distribucin.

    En los captulo 6 y 7 se exponen los conceptos que permiten establecer la capacidad de conduccin decorriente para conductores y cables subterrneos en diferentes configuraciones de red. Se indican tambin losmtodos para determinar la capacidad de los conductores para resistir sobrecargas, cortocircuitos y estudiar el

  • Redes de Distribucin de Energa iii

    problema de las tensiones inducidas.

    El captulo 8 comprende una serie de consideraciones de diseo de redes primarias areas, se discuten lasdiferentes topologas, los modelos tpicos de planeamiento. Igualmente se expone una metodologa ideada porel autor para el clculo de la regulacin y las prdidas. Finaliza el captulo con un resumen de normas deconstruccin y se incluye un catlogo completo de estructuras para redes urbanas y para redes rurales.

    En el captulo 9 incluyen consideraciones de diseo de redes primarias subterrneas, se describe el procesode construccin, se muestran los diferentes tipos de cables, el trazado de las redes. Continua con elprocedimiento de clculo de regulacin y prdidas. Adems, se presentan las normas tcnicas para laconstruccin y finaliza con recomendaciones para el mantenimiento y localizacin de fallas en cablessubterrneos.

    El captulo 10 presenta una serie de consideraciones de diseo de redes de distribucin secundaria, lasprcticas de diseo actuales, el clculo de las diferentes topologas y un resumen de normas para construccin.

    El captulo 11 muestra los detalles ms importantes de las diferentes clases de subestaciones de distribuciny la normalizacin de las plantas de emergencia, describe los componentes bsicos de una subestacin ymuestra el procedimiento de clculo de mallas de tierra.

    Los captulos 12 y 13 hacen una completa descripcin de los elementos de proteccin contrasobrecorrientes y sobrevoltajes de las redes de distribucin y la coordinacin correspondiente.

  • Introduccin

    iv Redes de Distribucin de Energa

  • Redes de Distribucin de Energa

    CAPITULO 1 Conceptos fundamentales

    1.1 Ubicacin y conformacin de un sistema de distribucin.1.2 El proyecto integral de distribucin .1.3 Clasificacin de los sistemas de distribucin de acuerdo a su

    construccion.1.4 Clasificacin de los sistemas de distribucin de acuerdo a los

    voltajes nominales. 1.5 Clasificacin de las redes de distribucin de acuerdo a su

    ubicacion geogrfica.1.6 Clasificacin de las redes de distribucin de acuerdo al tipo de

    cargas.1.7 Clasificacin de las cargas de acuerdo a la confiabilidad.1.8 Aspectos generales sobre el planteamiento de sistemas de

    distribucin.

  • Conceptos fundamentales

    2 Redes de Distribucin de Energa

    Un sistema elctrico de potencia incluye las etapas de generacin, transmisin, distribucin y utilizacin dela energa elctrica, y su funcin primordial es la de llevar esta energa desde los centros de generacin hastalos centros de consumo y por ltimo entregarla al usuario en forma segura y con los niveles de calidad exigidos .

    Aproximadamente las 2/3 partes de la inversin total del sistema de potencia, estn dedicados a la parte dedistribucin (Gigante Invisible), lo que implica necesariamente un trabajo cuidadoso en el planeamiento, diseoy construccin y en la operacin del sistema de distribucin, lo que requiere manejar una informacinvoluminosa y tomar numerosas decisiones, lo cual es una tarea compleja pero de gran trascendencia.

    Ntese que es en esta parte donde se producen los porcentajes ms grandes de prdidas de energa entodas sus manifestaciones debido al gran volumen de elementos que lo conforman, y a los bajos niveles detension que se manejan.

    Para ubicar el sistema de distribucin obsrvese el esquema de un sistema de potencia de la figura 1.1. Elsistema de distribucin a su vez est conformado por:

    FIGURA 1.1. Ubicacin de sistemas de distribucin dentro de un sistema de potencia.

    1.1 UBICACIN Y CONFORMACIN DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIN

  • Redes de Distribucin de Energa 3

    a) Subestaciones receptoras secundarias: donde se transforma la energa recibida de las lneas desubtransmisin y dan origen a los circuitos de distribucin primaros.

    b) Circuitos primarios: que recorren cada uno de los sectores urbanos y rurales suministrando potencia alos transformadores de distribucin a voltajes como13.2 kV, 11.4 kV, 7620 V, etc.

    c) Transformadores de distribucin: se conectan a un circuito primario y suministran servicio a losconsumidores o abonados conectados al circuito secundario.

    d) Circuito secundario: encargados de distribuir la energa a los usuarios con voltajes como 120/208 -120/240 V y en general voltajes hasta 600 V.

    La distribucin de energa elctrica es una actividad cuyas tcnicas estn en un proceso constante deevolucin reflejada en el tipo de equipos y herramientas utilizadas, en los tipos de estructuras, en los materialescon los que se construyen las redes de distribucin y en los mtodos de trabajo de las cuadrillas de construcciny mantenimiento, reflejada tambin en la metodologa de diseo y operacin empleando computadores(programas de gerencia de redes , software grfico, etc). Algunos de estos factores de evolucin son:

    Expansin de la carga. Normalizacin de materiales, estructuras y montajes. Herramientas y equipos adecuados. Mtodos de trabajo especficos y normalizados. Programas de prevencin de accidentes y programas de mantenimiento. Surgimiento de industrias de fabricacin de equipos elctricos. Grandes volmenes de datos y planos.

    Es usual que la documentacin tcnica relacionada con un proyecto de distribucin incluya las siguientespartes:

    Las memorias descriptivas. Las notas de clculo (criterios de diseo, secuencia de clculo, frmulas bsicas de clculo). Las especificaciones tcnicas sobre equipos y elementos. Los planos.

    Todo lo cual constituye el expediente tcnico del proyecto, teniendo en cuenta las normas del CdigoElctrico Nacional y las normas de cada una de las empresas electrificadoras. El proyectista deber tenerpresente que sus diseos deben ser normalizados por las grandes ventajas que esto ofrece durante las etapasde planeamiento, diseo, construccin operacin y mantenimiento del sistema de distribucin. As mismo,facilita el proceso de fabricacin de materiales y equipos.

    1.2.1 Flujograma de clculo

    Como modelo de la secuencia para el clculo se presenta en la figura 1.2 un flujograma para todo el proyecto.Se hace hincapi en que ciertos bloques del flujograma pueden diferir de lo mostrado dependiendo del ordenusado en los clculos preliminares.

    1.2 EL PROYECTO INTEGRAL DE DISTRIBUCIN

  • Conceptos fundamentales

    4 Redes de Distribucin de Energa

    FIGURA 1.2. Flujograma de clculo de redes de distribucin.

  • Redes de Distribucin de Energa 5

    1.2.2 Requisitos que debe cumplir un sistema de distribucin.

    a) Aplicacin de normas nacionales y/o internacionales.b) Seguridad para el personal y equipos.c) Simplicidad en la construccion y operacin (rapidez en las maniobras).d) Facilidades de alimentacin desde el sistema de potencia.e) Optimizacin de costos (economa).f) Mantenimiento y polticas de adquisicin de repuestos.g) Posibilidad de ampliacin y flexibilidad.h) Resistencia mecnica.i) Entrenamiento del personal.j) Confiabilidad de los componentes.k) Continuidad del serviciol) Informacin relacionada con la zona del proyecto (ubicacin, altitud, vas de acceso).m) Informacin relacionada con las condiciones climticas (temperatura, precipitaciones, velocidad del viento,

    contaminacin ambiental).n) Informacin particular referente a: requerimentos tcnicos de los clientes, ubicacin de cargas especiales

    e industriales, plano loteado (que contenga zona residencial, comercial, importancia de las calles,ubicacin de otras instalaciones, nivel socioeconmico, relacin con otros proyectos en la zona ycaractersticas geotcnicas).

    o) Regulacin de tensin ( niveles mximos admisibles).p) Prdidas de energa ( niveles mximos admisibles).q) Control de frecuencia.1.2.3 Diseo del sistema.

    El diseo de un sistema de distribucin debe incluir:

    a) La localizacin de la alimentacin para el sistemab) El conocimiento de las cargasc) El conocimiento de las tasas de crecimiento de las cargasd) Seleccin de la tensin de alimentacin.e) Seleccin de las estructuras de media tensin y baja tensin.f) Localizacin ptima de subestaciones de distribucin (transformadores de distribucin).g) Diseo del sistema de tierra.h) Anlisis de corrientes de cortocircuito.i) Diseo de las protecciones de sobrecorriente.j) Diseo de proteccin contra sobretensiones.1.2.4 Seleccion de equipos.

    La seleccin de equipos para sistemas de distribucin incluye:

    a) La seleccin de las subestaciones de distribucin incluidos los interruptores, transformadores y gabinetes.b) Seleccin de los conductores (cables aislados y/o desnudos).c) Optimizacin del calibre de los conductores (calibre econmico).d) Seleccin en caso necesario de equipos para supervisin de la carga y automatizacin del sistema para la

    operacin bajo condiciones normales y anormales.

  • Conceptos fundamentales

    6 Redes de Distribucin de Energa

    1.3.1 Redes de distribucin areas.

    En esta modalidad, el conductor que usualmente est desnudo, va soportado a travs de aisladoresinstalados en crucetas, en postes de madera o de concreto.

    Al comprarsele con el sistema subterrneo tiene las siguientes ventajas:

    Costo inicial ms bajo. Son las ms comunes y materiales de fcil consecucin. Fcil mantenimiento. Fcil localizacin de fallas. Tiempos de construccin ms bajos.

    Y tiene las siguientes desventajas:

    Mal aspecto esttico. Menor confiabilidad. Menor seguridad (ofrece ms peligro para los transentes). Son susceptibles de fallas y cortes de energa ya que estn expuestas a: descargas atmosfricas, lluvia,

    granizo, polvo, temblores, gases contaminantes, brisa salina, vientos, contactos con cuerpos extraos,choques de vehculos y vandalismo.

    Las partes principales de un sistema areo son esencialmente:

    a) Postes: que pueden ser de madera, concreto o metlicos y sus caractersticas de peso, longitud yresistencia a la rotura son determinadas por el tipo de construccin de los circuitos. Son utilizados parasistemas urbanos postes de concreto de 14, 12 y 10 metros con resistencia de rotura de 1050, 750 y 510kg respectivamente.

    b) Conductores: son utilizados para circuitos primarios el Aluminio y el ACSR desnudos y en calibres 4/0,2/0, 1/0 y 2 AWG y para circuitos secundarios en cables desnudos o aislados y en los mismos calibres.Estos circuitos son de 3 y 4 hilos con neutro puesto a tierra. Paralelo a estos circuitos van los conductoresde alumbrado pblico.

    c) Crucetas: son utilizadas crucetas de madera inmunizada o de ngulo de hierro galvanizado de 2 metrospara 13.2 kV. y 11.4 kV. con diagonales en varilla o de ngulo de hierro (pi de amigo).

    d) Aisladores: Son de tipo ANSI 55.5 para media tensin (espigo y disco) y ANSI 53.3 para baja tensin(carretes).

    e) Herrajes: todos los herrajes utilizados en redes areas de baja y mediana tensin son de acerogalvanizado. (grapas, varillas de anclaje, tornillos de mquina, collarines, ues, espigos, etc).

    f) Equipos de seccionamiento: el seccionamiento se efecta con cortacircuitos y seccionadoresmonopolares para operar sin carga (100 A - 200 A).

    g) Transformadores y protecciones: se emplean transformadores monofsicos con los siguientes valoresde potencia o nominales: 25 - 37.5 - 50 - 75 kVA y para transformadores trifsicos de 30 - 45 - 75 -112.5 y150 kVA protegidos por cortacircuitos, fusible y pararrayos tipo vlvula de 12 kV.

    1.3 CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIN DE ACUERDO A SU CONSTRUCCIN

  • Redes de Distribucin de Energa 7

    1.3.2 Redes de distribucin subterrneas.

    Son empleadas en zonas donde por razones de urbanismo, esttica, congestin o condiciones de seguridadno es aconsejable el sistema areo. Actualmente el sistema subterrneo es competitivo frente al sistema areoen zonas urbanas cntricas.

    Tiene las siguientes ventajas:

    Mucho ms confiable ya que la mayora de las contingencias mencionadas en las redes areas no afectan alas redes subterrneas.

    Son ms estticas, pues no estn a la vista. Son mucho ms seguras. No estn expuestas a vandalismo.

    Tienen las siguientes desventajas:

    Su alto costo de inversin inicial. Se dificulta la localizacin de fallas. El mantenimiento es ms complicado y reparaciones ms demoradas. Estn expuestas a la humedad y a la accin de los roedores.

    Los conductores utilizados son aislados de acuerdo al voltaje de operacin y conformados por varias capasaislantes y cubiertas protectoras. Estos cables estn directamente enterrados o instalados en bancos de ductos(dentro de las excavaciones), con cajas de inspeccin en intervalos regulares.

    Un sistema subterrneo cuenta con los siguientes componentes:

    Ductos: que pueden ser de asbesto cemento, de PVC o conduit metlicos con dimetro mnimo de 4pulgadas.

    Cables: pueden ser monopolares o tripolares aislado en polietileno de cadena cruzada XLPE, de polietilenoreticulado EPR, en caucho sinttico y en papel impregnado en aceite APLA o aislamiento seco elastomrico encalibres de 500 - 400 - 350 - 250 MCM, 4/0 y 2/0 AWG en sistemas de 13.2 kV, 7,6 y 4,16 kV.

    A pesar de que existen equipos adecuados, resulta difcil y dispendioso localizar las fallas en un cablesubterrneo y su reparacin puede tomar mucho tiempo, se recomienda construir estos sistemas en anilloabierto con el fin de garantizar la continuidad del servicio en caso de falla y en seccionadores entrada - salida.

    Los cables a instalar en baja tensin son aislados a 600 V con polietileno termoplstico PE-THW y recubiertocon una chaqueta protectora de PVC y en calibres de 400 - 350 - 297 MCM 4/0 y 2/0 AWG generalmente.

    Cmaras : que son de varios tipos siendo la ms comn la de inspeccin y de empalme que sirve parahacer conexiones, pruebas y reparaciones. Deben poder alojar a 2 operarios para realizar los trabajos. Allllegan uno o ms circuitos y pueden contener equipos de maniobra, son usados tambin para el tendido delcable. La distancia entre cmaras puede variar, as como su forma y tamao.

    Empalmes uniones y terminales: que permiten dar continuidad adecuada, conexiones perfectas entrecables y equipos.

  • Conceptos fundamentales

    8 Redes de Distribucin de Energa

    1.4.1 Redes de distribucin secundarios.

    En Colombia existen varios voltajes de diseo para circuitos secundarios. Los siguientes son los voltajes dediseo de redes urbanas y rurales que permiten abastecer al servicio residencial, comercial, a la pequeaindustria y al alumbrado pblico cuando estos 2 ltimos son alimentados por la red secundaria (aunque esto noes deseable).

    1.4.1.1 Monofsico trifilar 240/120 V con punto central a tierra.

    1.4.1.2 Trifsico tetrafilar 208/120 V con neutro a tierra y 220/127 V con neutro a tierra. Hoy existe en elsector un sector intermedio 214/123 V.

    1.4.1.3 Trifsico en tringulo con transformadores monofsicos, de los cuales uno solo tiene conexina tierra 240/120 voltios.

    Los voltajes citados se refieren a la tensin de placa (sin carga) en los transformadores de distribucin.

    Para los sistemas industriales y de alumbrado pblico grandes, que requieren un transformador propioindependiente de la red secundaria, son muy comunes las siguientes tensiones nominales.

    1.4.1.4 Trifsico 480/277 V en estrella.

    1.4.1.5 Trifsico 480/240 V en delta.En la tabla 1.1 pueden verse los diferentes sistemas de distribucin secundaria y su utilizacin.

    1.4.2 Redes de distribucin primarias.

    En Colombia se disean los circuitos primarios a diferentes voltajes. Se establece como voltaje nominal parael diseo 13.2/7.62 kV, configuracin estrella con neutro slido a tierra. En Bogot existe actualmente unsistema que opera a 11.4 kV, (ya se est cambiando a 13.2 kV en todo el pais).

    Los equipos existentes que operan a voltajes distintos sern aprovechados al mximo. En los nuevos que seinstalen a estos voltajes se prever la conversin del sistema a los voltajes adoptados.

    Un sistema de distribucin debe atender usuarios de energa elctrica localizados en zonas urbanas,suburbanas, rurales y turstica y la clasificacin de acuerdo a la zona a servir es:

    1.4 CLASIFICACIN DE LAS REDES DE DISTRIBUCIN DE ACUERDO A VOLTAJES NOMINALES

    1.5 CLASIFICACIN DE LAS REDES DE DISTRIBUCIN DE ACUERDO A SU UBICACINGEOGRFICA

  • Redes de Distribucin de Energa 9

    1.5.1 Redes de distribucin urbanas.

    Los programas de distribucin urbana son desarrollados individualmente por cada empresa de energa y lamayora de las veces son planes de remodelacin y recuperacin de prdidas. Las principales caractersticas delas redes de distribucin urbana son las siguientes:

    a) Usuarios muy concentrados.b) Cargas bifilares, trifilares y trifsicas.

    TABLA 1.1. Sistemas de distribucin secundaria.

    Voltaje secundario y tipo de sistema

    Diagrama de conexiones y voltajes secundarios Utilizacin y disposicion recomendada

    120 / 240 V.Monofsico trifilarNeutro slido a tierra

    Zonas residenciales urbanas.Zonas rurales - Alumbrado pblico.Redes areas.Subterranea en zonas residenciales clase alta.

    120 / 208 VTrifsico tetrafilar en estrellaNeutro slido a tierra

    Zonas comerciales e industriales.Zonas residenciales urbanas.Zonas rurales con cargas trifasicas.Alumbrado pblico.Redes areas.Subterrnea en zonas centricas.

    120 / 240 V

    Trifasico tetrafilar en con devanado partido

    Zonas comerciales e industriales.Zonas residenciales urbanasZonas rurales con cargas trifsicas.Alumbrado pblico.Redes areas.Subterranea segn especificaciones.

  • Conceptos fundamentales

    10 Redes de Distribucin de Energa

    c) Facilidad de acceso.d) En general se usa postera de concreto.e) Es necesario coordinar los trazados de la red elctrica con las redes telefnicas, redes de acueducto,

    alcantarillados y otras redes, igualmente tener en cuenta los parmetros de las edificaciones.f) Se usan conductores de aluminio, ACSR y cobre.g) Facilidad de transporte desde los proveedores de materiales y equipos al sitio de la obra.h) Transformadores generalmente trifsicos en reas de alta densidad de carga y monofsicos trifilares en

    reas de carga moderada.i) El trabajo en general puede ser mecanizado.j) La separacin entre conductores y estructuras de baja tensin y media tensin son menores.k) En caso de remodelaciones y arreglos es necesario coordinar con las empresas de energa los cortes del

    servicio.

    1.5.2 Redes de distribucin rurales.

    Son evidentes las enormes ventajas de disponer de energa elctrica en las zonas rurales del pas. Nadiepone en cuestin la necesidad de dotar a dichos ncleos (corregimientos o extensiones territoriales distintas delas aglomeraciones urbanas o suburbanas que comprenden las zonas de explotaciones agrcolas, pecuarias oforestales y localidades que no sobrepasen los 3000 habitantes, excluyendo los sectores tursticos,residenciales o industriales) de un suministro elctrico seguro y eficiente.

    Pero tambin es cierto que de estas instalaciones elctricas no se deriva una pura rentabilidad econmicaya que los montos elevados de las inversiones necesarias no quedan remunerados por los relativamenteescasos originados por la venta de la electricidad, puesto que los consumos per cpita son muy inferiores a loscorrespondientes a las zonas urbanas e industriales. Por lo mismo, la mejor justificacin de un plan deelectrificacin rural estriba en sus efectos sociales. La electrificacin rural se orienta, ante todo, a satisfacer unanecesidad primaria, cual es el alumbrado de viviendas y de los asentamientos rurales, pasando luego a atenderotras exigencias menos perentorias y que producen una mayor "Calidad de vida", como los aparatosdomsticos y la industrializacin agropecuaria.

    Es necesario, ante todo, realizar un inventario de todas las colectividades rurales, para despus, en base acriterios tcnicos razonables, desarrollar los proyectos oportunos para remediar las carencias, finalmente hayque cuantificar las inversiones necesarias para ello, y en base a criterios polticos y sociales, distribuirlas a lolargo del tiempo de duracin del plan.

    La distribucin rural en el pas se esta desarrollando mediante los siguientes programas: PNER - DRI -PERCAS - PNR y otras que surgen por iniciativa gubernamental.

    El desarrollo de estos programas tienen un alto contenido social ya que lleva el beneficio de la energaelctrica a aquellas personas que son la base de la agricultura y la ganadera.

    El manejo de estos proyectos exige un adecuado planeamiento en la compra y suministro oportuno demateriales ya que las licitaciones respectivas tienen trmites relativamente demorados.

    Las principales caractersticas de las redes de distribucin rural son:

    a) Usuarios muy dispersos.b) Cargas generalmente monofsicas.c) Dificultades de acceso en las zonas montaosas lo que implica extra costos en el transporte y manejo de

    materiales.

  • Redes de Distribucin de Energa 11

    d) En zonas accesibles se usa postera de concreto.e) En zonas de difcil acceso se usa postera de madera inmunizado.f) Los transformadores por lo general son monofsicos 2H o 3H (Bifilares o Trifilares).g) Conductores ACSR por lo general.h) A menudo es necesario efectuar desmonte de la zona.1.5.3 Redes de distribucin suburbanas.

    Que tienen caractersticas intermedias donde puede existir gran concentracin de usuarios que tienen bajoconsumo como los suburbios o asentamientos espontneos.

    1.5.4 Redes de distribucin turistica.

    Donde los ciclos de carga estan relacionados con las temporadas de vacaciones, y donde se impone laconstruccin subterrnea para armonizar con el entorno.

    La finalidad a la cual el usuario destina la energa elctrica tambin sirve de criterio para clasificar las cargas

    1.6.1 Redes de distribucin para cargas residenciales.

    Que comprenden bsicamente los edificios de apartamentos, multifamiliares, condominios, urbanizaciones,etc. Estas cargas se caracterizan por ser eminentemente resistivas (alumbrado y calefaccin) y aparatoselectrodomsticos de pequeas caractersticas reactivas. De acuerdo al nivel de vida y a los hbitos de losconsumidores residenciales y teniendo en cuenta que en los centros urbanos las gentes se agrupan en sectoresbien definidos, de acuerdo a las clases socioeconmicas, los abonados residenciales se clasifican as:

    a) Zona clase alta: constituida por usuarios que tienen un alto consumo de energa elctrica (estratos 5 y 6).b) Zona clase media: conformado por usuarios que tienen un consumo moderado de energa elctrica

    (estrato 4).c) Zona clase baja: conformado por usuarios de barrios populares que tienen un consumo bajo de energa

    elctrica (estratos 1,2 y 3).d) Zona tugurial: dentro de la cual estn los usuarios de los asentamientos espontneos sin ninguna

    planeacin urbana y que presentan un consumo muy bajo de energa.

    1.6.2 Redes de distribucin para cargas comerciales

    Caracterizadas por ser resistivas y se localizan en reas centricas de las ciudades donde se realizanactividades comerciales, centros comerciales y edificios de oficinas. Tienen algun componente inductivo quebajan un poco el factor de potencia. Hoy en da predominan cargas muy sensibles que introducen armnicos.1.6.3 Redes de distribucin para cargas industriales.

    Que tienen un componente importante de energa reactiva debido a la gran cantidad de motores instalados.Con frecuencia se hace necesario corregir el factor de potencia. Adems de las redes independientes parafuerza motriz es indispensable distinguir otras para calefaccin y alumbrado. A estas cargas se les controla el

    1.6 CLASIFICACIN DE LAS REDES DE DISTRIBUCIN DE ACUERDO AL TIPO DE CARGAS

  • Conceptos fundamentales

    12 Redes de Distribucin de Energa

    consumo de reactivos y se les realiza gestin de carga pues tienen doble tarifa (alta y baja) para evitar que supico mximo coincida con el de la carga residencial.

    1.6.4 Redes de distribucin para cargas de alumbrado pblico.

    Para contribuir a la seguridad ciudadana en las horas nocturnas se instalan redes que alimentan lmparasde mercurio y sodio de caracterstica resistiva.

    1.6.5 Redes de distribucin para cargas mixtas

    En este tipo de redes se tienen varias de estas cargas en una misma red de distribucin. No muy deseablespues se dificulta el control de prdidas

    Teniendo en cuenta los daos que pueden sufrir los usuarios por la interrupcin del suministro de energaelctrica, es posible clasificar las cargas as:

    1.7.1 Cargas de primera categoria.

    Son aquellas en las que una interrupcin corta en el suministro de energa elctrica causa importantesperjuicios al consumidor ( riesgo de muerte, daos en procesos de fabricacin en masa, daos a equiposcostosos como computadores y mquinas controladas por sistemas electrnicos, centros hospitalarios,sistemas masivos de transporte, etc). Estas cargas deben tener sistemas alternos de alimentacion conconmutacin automtico y plantas de emergencia (autogeneracin).1.7.2 Cargas de segunda categoria.

    Bajo esta categora se clasifican todas las cargas en las que una pequea interrupcin (no mayor de 5minutos), no causa grandes problemas al consumidor. Pertenecen a este grupo las fbricas medianas que notienen complicados y delicados procesos de fabricacin pero que causan desocupacin de empleados yobreros, etc.

    1.7.3 Cargas de tercera categoria

    Se clasifican aqu el resto de consumidores, los cuales pueden tener un tiempo de interrupcin en unintervalo , en un mes durante el cual no se causa mayores perjuicios. Son entonces los usuariosresidenciales, poblaciones rurales, pequeas fbricas, etc. La CREG (Comision Reguladora de Energa y Gas)ha establecido como metas para el DES y FES de 3 y 9 respectivamente

    1.8.1 Objetivos de planeamiento.

    Un buen planeamiento garantiza que el crecimiento de la demanda de energa elctrica sea satisfecha enforma optima con las mejoras realizadas al sistema de distribucin. Dichas adiciones deben ser tcnicamenteadecuadas y razonablemente econmicas.

    1.7 CLASIFICACIN DE LAS CARGAS DE ACUERDO A LA CONFIABILIIDAD

    1.8 ASPECTOS GENERALES SOBRE PLANEAMIENTO DE SISTEMAS DE DISTRIBUCIN

    1 T1 5h

  • Redes de Distribucin de Energa 13

    Su alto costo de inversin y su proximidad con el consumidor hacen que el sistema de distribucin merezcala importancia y por lo tanto, se le coloque la atencin debida.

    El objetivo general del planeamiento de sistemas de distribucin es el minimizar los costos (desubestaciones, alimentadores laterales, transformadores, redes secundarias, de prdidas de potencia yenerga) sometido a las restricciones (como valores permisibles de voltaje, caidas momentaneas de voltaje,flickers, asi como de continuidad en el servicio).1.8.2 Proceso para el planeamiento.

    Las caractersticas de la carga determinan el tipo de sistema de distribucin requerido. Una vez determinadas las cargas, se agrupan para conectarse a las lneas secundarias. A las lineas secundarias se les asigna un transformador de distribucin. Las cargas de los transformadores de distribucin son luego combinadas para determinar las demandas del

    sistema de distribucin primaria. Las cargas del sistema de distribucin primaria, determinan el tamao y localizacin de las subestaciones de

    distribucin as como la ruta y capacidad de las lneas de transmision asociadas.

    En la persecusin de los objetivos, el planeador tiene influencia sobre:

    a) Las adiciones y/o modificaciones de las redes de subtransmisin.b) Ubicacin y tamao de las subestaciones de distribucin.c) Areas de servicio de las subestaciones de distribucin.d) Localizacin de interruptores, suiches, tamao de alimentadores.e) Niveles de voltaje y cadas de voltaje en el sistema.f) Localizacion de capacitores y reguladores de voltaje.g) Cargabilidad de transformadores y alimentadores.h) Impedancia, niveles de aislamiento y disponibilidad de transformadores.

    El planeamiento no tiene influencia sobre:

    a) Momento y ubicacin de las demandas.b) Frecuencia y duracin de las interrupciones.c) Costos de mano de obra, equipos y del dinerod) Variaciones de los precios de combustibles y fuentes alternas de energa.e) Cambios en las condiciones socioeconmicas y sobre las tendencias del crecimiento de la demanda.f) Aumento o disminucion de la poblacin.g) Cambios de comportamiento como resultado de los avances tecnolgicos.h) Cambios en las condiciones econmicas (PIB, inflacin y/o recesin).i) Regulaciones de los gobiernos nacionales y locales.1.8.3 Factores que afectan el planeamiento del sistema de distribucin.

    a) Las proyecciones de carga, influenciadas a su vez por:

    Planes de desarrollo comunitario, industrial y municipal. Uso de la tierra. Factores geogrficos.

  • Conceptos fundamentales

    14 Redes de Distribucin de Energa

    Datos histricos. Crecimiento de la poblacin. Densidad de la carga. Fuentes de energa alternativas.

    b) Expansin de subestaciones influenciada por:

    Factores econmicos. Limitaciones de tamao. Barreras fsicas, tamao fsico y disponibilidad del terreno. Limitaciones de proyeccin. Capacidad y configuracion actual. Proyeccin de la carga. Capacidad de enlace. Voltajes de transmisin. Rigidez de la transmisin. Limitacin de alimentadores.

    c) Seleccin del sitio de la subestacin influenciada por:

    Localizacin de subestaciones existentes. Regulaciones sobre el uso de la tierra y costos de la tierra. Disponibilidad del terreno. Localizacin de lneas de subtransmisin existentes. Proyeccin de la carga. Densidad de la carga. Proximidad a centros de carga. Limitacin de los alimentadores.

    Las alternativas resultantes deben ser evaluadas cualitativa y cuantitativamente, efectos beneficios vsefectos adversos, efectos de escala absoluta vs efectos de escala relativa.

    d) El costo total de la expansin influenciado por:

    Las prdidas de potencia y energa. Los costos de operacin, mantenimiento, materiales. Los costos del capital.

    e) Otros factores tales como:

    Seleccin de voltajes primarios. Seleccin de rutas de alimentadores. Seleccin de tamao de conductores, capacidad de equipos.

  • Redes de Distribucin de Energa 15

    Adecuacidad de sistemas existentes. Posibles cargas adicionales.

    1.8.4 Tcnicas actuales de planeamiento de sistemas de distribucin.

    El uso de las siguientes herramientas y programas est basado en la discresionalidad del planeador y en lapolitica de operacin de la compaia electrificadora: flujos de carga, clculo de corrientes de fallo y decortocircuito, clculo de caidas de voltaje y prdidas, impedancias del sistema, proyeccion de cargas, regulacinde voltaje, ajuste de reguladores, discriminamiento y ubicacin optima de bancos de condensadores, etc.

    La figura 1.3 muestra un diagrama de bloques del proceso de planeamiento de sistemas de distribucin masempleado.

    El criterio de aceptabilidad, representando las polticas de la compaia, obligaciones de los usuarios yrestricciones adicionales pueden incluir:

    a) Continuidad del servicio.b) La cada de voltaje mxima permisible por el usuario ms alejado (permanente y momentnea).c) La carga pico mxima permisible.d) Confiabilidad del servicio.e) Prdidas de potencia y energa.

    FIGURA 1.3. Diagrama de bloques de un proceso tpico de planeamiento de sistemas de distribucin.

  • Conceptos fundamentales

    16 Redes de Distribucin de Energa

    1.8.5 Modelos de planeamiento de sistemas de distribucin

    Los modelos matematicos que son desarrollados para representar el sistema y que son empleados por losplaneadores de sistemas de distribucin para investigar y determinar los modelos de expansin ptima que porejemplo, seleccionen ubicacin y expansin ptima, subestacin, transferencia de carga ptima entresubestaciones y centros de demanda, rutas y calibres ptimos de alimentadores para el suministro de energa alas cargas dadas; sujetas a numerosas restricciones para minimizar el valor presente de los costos totalesinvolucrados.

    Algunas de las tcnicas de investigacin de operaciones usadas en la generacin de esta tarea son lassiguientes.

    a) El mtodo de la poltica alternativa que seleccione entre varias, la mejor.b) El mtodo de descomposicin, en el cual, un problema grande es dividido en varios pequeos y cada uno

    resuelto separadamente.c) Los mtodos de programacin lineal y de programacin por integracin que linealiza las condiciones de

    restricciones.d) Los mtodos de programacin dinmica.1.8.6 Planeamiento de sistemas de distribucin en el futuro.

    Para establecer las futuras tendencias que hoy se vislumbran para el futuro de los procesos deplaneamiento se debe tener en cuenta:

    a) Los factores econmicos como la inflacin, los gastos para adquisicin de capital, el capital necesario paraexpansin de sistemas de distribucin y las dificultades para elevar tarifas a los usuarios.

    b) Los factores demograficos que evidencian problemas de inmigracin hacia areas urbanas.c) Los factores tecnolgicos que evidencian el desarrollo de las fuentes no convencionales y que pueden

    cambiar la naturaleza de las redes de distribucin.

    Los requerimientos de un programa de manejo de carga exitoso son especificados como sigue:

    Debe ser capaz de reducir la demanda durante periodos de carga critica del sistema. Debe resultar en una disminucin de los requerimientos de generacin nueva. Debe tener una relacin costo/beneficio aceptable. Su operacin debe ser compatible con el diseo y operacin del sistema. Debe operar con un nivel de confiabilidad aceptable. Debe tener el nivel aceptable de conveniencia para el usuario. Debe tratar de reducir tarifas y ofrecer otros incentivos.

    d) La relacin costo/beneficio obtenida por la innovacin.e) Nuevas herramientas de planeamiento: las herramientas para el diseo de redes seran optimizadas con

    respecto a muchos criterios usando mtodos de programacin de investigacion de operaciones. Loseditores de redes discriminan el programa de simulacin extensivos, los cuales determinarn si la redpropuesta comportamiento esperado y el criterio de crecimiento de carga.

  • Redes de Distribucin de Energa

    CAPITULO 2 Caractersticas de las cargas

    2.1 Influencia de las caractersticas de las cargas sobre redes de distribucin.2.2 Densidad de carga.2.3 Carga instalada.2.4 Capacidad instalada.2.5 Carga mxima.2.6 Numero de horas de carga equivalente (EH).2.7 Demanda 2.8 Curvas de carga diaria.2.9 Curvas de duracin de carga diaria 2.10 Curvas de carga anual.2.11 Curvas de duracion de carga anual.2.12 Tasa de crecimiento de la demanda.2.13 Carga promedio

    2.14 Factor de demanda

    2.15 Factor de utilizacin

    2.16 Factor de planta

    2.17 Factor de potencia 2.18 Factor de carga

    2.19 Factor de diversidad de grupo

    2.20 Factor de coincidencia

    2.21 Factor de contribucin 2.22 Curvas de demanda mxima diversificada.2.23 Curvas de factores de diversidad.2.24 Cargas de diseo para redes de distribucin.2.25 Demanda coincidente por servicio y demanda total.2.26 Mtodo analtico para determinar la demanda mxima.2.27 Prdidas de potencia y energa.2.28 Horas equivalentes de prdidas LEH2.29 Factor de prdidas 2.30 Porcentaje de prdidas y prdidas de potencia y energa.2.31 El factor de prdidas en funcin de la curva de duracin de carga.2.32 Relacin entre el factor de carga y el factor de prdidas.

    D t( )

    CDC t( )

    Dp

    FD

    FU

    FPL

    cosFC

    Fdiv

    Fco

    Ci

    fper

  • Caractersticas de las cargas

    18 Redes de Distribucin de Energa

    En la figura 2.1 se puede observar que las caractersticas de la carga influyen en los sistemas de potencia ydistribucin, ms no en viceversa. Las carateristicas de las cargas expresan el comportamiento de los usuariosfrente al sistema de distribucion y por lo tanto, imponen las condiciones (donde est y como establece lademanda durante el perodo de carga). Las empresas de energa pueden realizar control sobre algunas cargaspara evitar que el sistema colapse.

    FIGURA 2.1. Influencia de las caractersticas de la carga en las redes

    Este concepto se puede establecer de dos formas, una de ellas se expresa como la relacin entre la cargainstalada y el rea de la zona del proyecto:

    (2.1)

    que es el mtodo ms generalizado.

    La otra forma corresponde a un diseo de detalle que establece la densidad de carga como la cantidad dekW por cada 100 metros de lnea para suministrar el servicio. Si se parte de un muestreo donde se dispone dela demanda en kWh por cada 100 metros, se puede convertir a kW como sigue:

    (2.2)

    donde N es el nmero de usuarios homogneos considerado.

    La densidad de carga en kVA / 100 m requiere de la estimacin del factor de potencia tal que:

    2.1 INFLUENCIA DE LAS CARACTERSTICAS DE LAS CARGAS SOBRE LAS REDES DEDISTRIBUCIN

    2.2 DENSIDAD DE CARGA

    Densidad de carga Carga instaladaArea de la zona-------------------------------------

    kVAkm2----------

    kwkm2---------=

    kW100m-------------

    kWh100m------------- 0,1076 0,1114N

    ----------------+ 1,286=

  • Redes de Distribucin de Energa 19

    (2.3)

    Es la suma de todas las potencias nominales continuas de los aparatos de consumo conectados a unsistema o a parte de l, se expresa generalmente en kVA, MVA, kW o MW. Matemticamente se indica como:

    (2.4)

    En la figura 2.2 se muestra su ubicacin en la curva de carga diaria tpica.

    Corresponde a la suma de las potencias nominales de los equipos (transformadores, generadores),instalados a lneas que suministran la potencia elctrica a las cargas o servicios conectados. Es llamadatambin capacidad nominal del sistema. (Vase figura 2.2).

    FIGURA 2.2. Curva de carga diaria tpica

    2.3 CARGA INSTALADA

    2.4 CAPACIDAD INSTALADA

    kVA100m-------------

    kW100m-------------

    cos-------------=

    CI

    CI Potencias nominales de las cargas=

    PI

  • Caractersticas de las cargas

    20 Redes de Distribucin de Energa

    FIGURA 2.3. Curva de duracin de carga diaria

    Se conoce tambin como la demanda mxima y corresponde a la carga mayor que se presenta en unsistema en un perodo de trabajo previamente establecido. En la figura 2.2, la carga mxima es la que sepresenta a las 19 horas.

    Es esta demanda mxima la que ofrece mayor inters ya que aqu es donde se presenta la mxima cada detensin en el sistema y por lo tanto cuando se presentan las mayores prdidas de energa y potencia.

    Para establecer la se debe especificar el intervalo de demanda para medirla. La carga puedeexpresarse en p.u de la carga pico del sistema; por ejemplo, se puede encontrar la demanda mxima 15minutos, 30 minutos y 1 hora.

    Es el nmero de horas que requerira la carga mxima para que se consuma la misma cantidad de energaque la consumida por la curva de carga real sobre el periodo de tiempo especificado. Esta dada por:

    (2.5)

    2.5 CARGA MXIMA ( KW KVA )

    2.6 NMERO DE HORAS DE CARGA EQUIVALENTE

    DM

    DM

    EH

    EH Energa total consumida en el perodo (kWh)Carga mxima (kW)-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------=

  • Redes de Distribucin de Energa 21

    Es la cantidad de potencia que un consumidor utiliza en cualquier momento (variable en el tiempo). Dicho deotra forma: la demanda de una instalacin elctrica en los terminales receptores, tomada como un valor medioen un intervalo determinado. El perodo durante el cual se toma el valor medio se denomina intervalo dedemanda. La duracin que se fije en este intervalo depender del valor de demanda que se desee conocer, aspor ejemplo, si se quiere establecer la demanda en amperios para la seccin de un juego de fusibles, debernser analizados valores de demanda con un intervalo cero, no siendo el mismo caso si se quiere encontrar lademanda para aplicarla a un transformador o cable, que ser de 10 o 15 minutos.

    Para establecer una demanda es indispensable indicar el intervalo de demanda ya que sin l no tendrasentido prctico. La demanda se puede expresar en kVA, kW, kVAR, A, etc.

    La variacin de la demanda en el tiempo para una carga dada origina el ciclo de carga que es una CURVADE CARGA (demanda vs tiempo).

    Estas curvas se dibujan para el da pico de cada ao del perodo estadstico seleccionado.

    Las curvas de carga diaria estn formadas por los picos obtenidos en intervalos de una hora para cada horadel da. Las curvas de carga diaria dan una indicacin de las caractersticas de la carga en el sistema, seanestas predominantemente residenciales, comerciales o industriales y de la forma en que se combinan paraproducir el pico. Su anlisis debe conducir a conclusiones similares a las curvas de carga anual, peroproporcionan mayores detalles sobre la forma en que han venido variando durante el perodo histrico yconstituye una base para determinar las tendencias predominantes de las cargas del sistema, permiteseleccionar en forma adecuada los equipos de transformacin en lo que se refiere a la capacidad lmite desobrecarga, tipo de enfriamiento para transformadores de subestaciones y lmites de sobrecarga paratransformadores de distribucin. En la figura 2.2 se muestra una curva tpica de carga obtenida en lassubestaciones receptoras primarias.

    En la figura 2.4 se muestran las curvas de carga diarias tpicas en nuestro pas para carga residencial,comercial, industrial y alumbrado pblico que muestran el porcentaje pico contra el tiempo y permite observar elcomportamiento de cada una de ellas de tal forma que al combinarlos en una sola grfica resulta la curva decarga de la figura 2.2.

    Estas curvas se derivan de las anteriores y se muestra en la figura 2.3. Su anlisis debe conducir aconclusiones idnticas a las obtenidas del anlisis de las curvas de carga diaria. La curva indica la duracin decada una de las demandas presentadas durante el periodo de tiempo especificado.

    2.7 DEMANDA

    2.8 CURVAS DE CARGA DIARIA

    2.9 CURVAS DE DURACIN DE CARGA DIARIA

    D t( )

    CDC t( )

  • Caractersticas de las cargas

    22 Redes de Distribucin de Energa

    Las curvas de duracin de carga diaria se pueden ajustar de tal manera que se aproxime a una curvaexponencial decreciente de la forma:

    (2.6)

    FIGURA 2.4. Curvas de carga diaria tpicas

    Carga residencial Carga comercial

    Carga industrial Alumbrado pblico

    CDC t( ) C Ae Bt+=

  • Redes de Distribucin de Energa 23

    Estas curvas se deben dibujar en lo posible para los 4 aos del perodo estadstico como se muestra en lafigura 2.5 y muestran la forma como se est incrementando la carga durante dicho periodo y ayuda en ladeduccin de la rata de crecimiento de la demanda.

    Las curvas de carga anual estn formadas por los valores de la demanda a la hora pico en cada mes,permiten una visualizacin de los crecimientos y variaciones de los picos mensuales y anuales. El anlisis delas causas de estas variaciones debe conducir a conclusiones prcticas sobre el comportamiento del sistema ylos factores que lo afectan.

    FIGURA 2.5. Curvas de carga anual

    Tambin se dibujan para los aos del perodo estadstico como se muestra en el ejemplo de la figura 2.6.

    Estas curvas se deducen de las correspondientes curvas de carga anual e indican la distribucin de lascargas pico durante el transcurso del ao, as como la duracin de las condiciones del pico. Proporcionan unaindicacin del comportamiento propio de la carga y del de sta en relacin con la capacidad instalada. Estapuede conducir a conclusiones sobre la conveniencia de tratar de modificar el comportamiento de la carga ysobre la necesidad de mejorarlas condiciones de suministro y otras.

    2.10 CURVAS DE CARGA ANUAL

    2.11 CURVAS DE DURACIN DE CARGA ANUAL

  • Caractersticas de las cargas

    24 Redes de Distribucin de Energa

    En conclusin : la duracin de carga es la relacin entre las demandas y la duracin de las demandas sobreun perodo especificado de tiempo. Las demandas horarias pueden ser tabuladas en orden descendiente y lossiguientes clculos complementan el estudio sobre duracin de carga:

    (2.7)

    (2.8)

    (2.9)

    (2.10)

    (2.11)

    Estos parmetros de duracin de carga permiten construir la curva (% de carga pico vs % de duracin)similar a la mostrada en la figura 2.3.

    FIGURA 2.6. Curva de duracion de carga anual

    Frecuencia = Nmero de ocurrencia de cada demanda

    EqualExceed----------------- Sumatoria de frecuencias=

    Porcentaje de pico Demanda (kW)Demanda mxima (kW) ----------------------------------------------------------- 100=

    Cuadro de demandas

    EqualExceed-----------------

    Tiempo especificado-------------------------------------------------- 100=

    Cuadro de demandas = (Demanda)2 x Frecuencia

  • Redes de Distribucin de Energa 25

    Este es uno de los parmetros de diseo cuya determinacin requiere el mximo cuidado a fin de evitar lasubestimacin y la sobrestimacin de las demandas futuras. La tasa de crecimiento de la demanda en redes dedistribucin es diferente para cada clase de consumo, es evidente que el aumento de la demanda mximaindividual, que es el criterio de diseo, es mayor para una zona de consumo bajo que para una zona deconsumo medio o alto.

    Para el diseo de circuitos primarios es necesario hacer proyecciones de la demanda en la zona deinfluencia de la lnea primaria o de la subestacin. En estos casos y teniendo en cuenta la escasez de datosestadsticos confiables y numerosos que permiten aplicar criterios de extrapolacin, es necesario determinaruna tasa de crecimiento geomtrico en base a los siguientes factores: El crecimiento demogrfico. El aumento en el consumo por mejoramiento del nivel de vida. Los desarrollos industriales, comerciales, tursticos, agropecuarios y otros previsibles. El posible represamiento de la demanda debido al mal servicio prestado anteriormente.

    La tasa de crecimiento de la demanda se puede obtener mediante anlisis estadstico de datos histricosmaterializados en las curvas de carga anual cuando se grafican como mnimo para los ltimos 4 aos.

    La tasa de crecimiento de la demanda est dada por:

    (2.12)

    denominada tasa de crecimiento geomtrico, o por

    (2.13)

    denominada tasa de crecimiento aritmtico

    donde:

    2.12 TASA DE CRECIMIENTO DE LA DEMANDA

    = Demanda actual.

    = Demanda para el perodo de proyeccin (cargas de diseo).

    = Perodo de proyeccin.

    .

    .

    rDnD0------n 1=

    r

    DnD0------ 1

    n----------------=

    D0

    Dn

    n

    n 15 aos para redes de distribucin=

    n 8 aos para transformadores de distribucin=

  • Caractersticas de las cargas

    26 Redes de Distribucin de Energa

    Puede concluirse entonces que una red puede disearse con una capacidad tal que pueda satisfacer tantola carga actual como la carga futura que aparezca durante la vida til de la red.

    Se define como la relacin entre el consumo de energa del usuario durante un intervalo dado y el intervalomismo. Se calcula mediante.

    (2.14)

    (2.15)

    Es una demanda constante sobre el perodo de tiempo especificado y que establece el mismo consumo deenerga que las requerida por l