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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERA ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA
DISEO Y ELABORACIN DE LA INGENIERA BSICA DE SUBESTACIN ELCTRICA
34,5/13,8 KV PARA LA ALIMENTACIN
Y FUNCIONAMIENTO DEL CONJUNTO RESIDENCIAL GUASDUALITO (CRG).
GUASDUALITO, EDO. APURE. PDVSA-
DIVISIN CENTRO SUR
Br. Hctor Lus Ortiz Guerra
Mrida, Marzo, 2009
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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERA
ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA
DISEO Y ELABORACIN DE LA INGENIERA BSICA DE SUBESTACIN ELCTRICA
34,5/13,8 KV PARA LA ALIMENTACIN
Y FUNCIONAMIENTO DEL CONJUNTO RESIDENCIAL GUASDUALITO (CRG).
GUASDUALITO, EDO. APURE. PDVSA-
DIVISIN CENTRO SUR
Trabajo presentado como requisito parcial para optar al ttulo
de
Ingeniero Electricista
Br. Hctor Lus Ortiz Guerra Tutor: Dra. Marisol Dvila
Asesor: Ing. Juan Prez
Mrida, Marzo, 2009
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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERA
ESCUELA DE INGENIERA ELCTRICA
DISEO Y ELABORACIN DE LA INGENIERA BSICA DE SUBESTACIN ELCTRICA
34,5/13,8 KV PARA LA ALIMENTACIN
Y FUNCIONAMIENTO DEL CONJUNTO RESIDENCIAL GUASDUALITO (CRG).
GUASDUALITO, EDO. APURE. PDVSA-
DIVISIN CENTRO SUR
Br. Hctor Lus Ortiz Guerra
Trabajo de Grado, presentado en cumplimiento parcial de los
requisitos exigidos para optar al ttulo de Ingeniero Electricista,
aprobado en nombre de la Universidad de Los Andes por el siguiente
Jurado.
_____________________________ _____________________________
Prof. Ernesto Mora Prof. Ricardo Stephens C.I. 3.499.666 C.I.
15.175.313
_______________________________ Tutora : Prof. Marisol Dvila
C.I. 10.107.821
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iii
AGRADECIMIENTOS
Todas las personas pasamos por un proceso de desarrollo para
lograr convertirnos en seres
capaces de manejar las nuevas situaciones que se nos presentan y
las nuevas actividades que
buscamos realizar. Decir que soy hoy en da lo que era hace 5
aos, es negar todas las
enseanzas y experiencias que he vivido y que han formado en mi,
nuevos conocimientos e
ideales que a su vez forman parte de la persona que soy.
Para lograr llegar hasta donde estoy, convirtindome en un
profesional de la Repblica, ha
sido mucha la ayuda que he recibido y por ello quiero agradecer
a todos los que han
colaborado conmigo.
Quiero dar gracias primeramente a Dios, por haberme permitido
nacer en un tiempo y
espacio de cuidado y afecto, por guiarme en el camino de la vida
bajo el manto de su
seguridad y amor.
El siguiente agradecimiento no puede ser para otros que mis
padres, personas que poseen
mi total respeto, admiracin y cario. Mi madre no slo es el ser
que me dio la vida, tambin
es la persona que dedic su tiempo en mi cuidado y enseanza,
llenndome de amor, valores y
conocimientos. Mi padre es el hombre que ha dado su mayor
esfuerzo para llevar el sustento a
casa, para demostrar su cario y respeto y para inculcarme la
formacin social que ha dirigido
mis acciones.
A mis hermanas quiero agradecer su apoyo y confianza que han
representado para m un
factor importante de nimo y aliento.
No puedo dejar de agradecer a la profesora Marisol Dvila, que
por su colaboracin y
tutora ha hecho posible la elaboracin de este proyecto.
A la Gerencia de Desarrollos Urbanos, por depositar su confianza
en m y permitirme
formar parte de un gran equipo de trabajo.
Por ltimo, y no por ello menos importante, quiero agradecer a la
ilustre Universidad de
los Andes por haberme formado acadmicamente como un profesional
capaz y comprometido
con mi rea de estudio.
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iv
ORTIZ, Hctor. Diseo y Elaboracin de la Ingeniera Bsica de
Subestacin Elctrica 34,5/13,8 kV para la alimentacin y
funcionamiento del Conjunto Residencial Guasdualito (CRG).
Guasdualito, Edo. Apure. Universidad de Los Andes. Tutor: Dra.
Marisol Dvila. Marzo de 2009.
RESUMEN
Como parte de la ejecucin de proyectos de carcter social que
despliega la Gerencia de Desarrollo Urbano aunado a la gran deuda
social que sostiene PDVSA- Divisin Centro Sur con la poblacin del
Estado Apure, se plantea la construccin de un conjunto de urbanismo
y edificaciones aptos para la realizacin de eventos de carcter
social y cultural. Debido a la deficiencia energtica de las redes
de distribucin de la zona, se ha propuesto desarrollar el diseo de
la ingeniera bsica de una subestacin de transformacin de 1 MVA de
capacidad nominal, para la alimentacin del conjunto urbano en
diseo. Se realiza adems, el diseo de la lnea area de 34,5 kV a ser
empleada como lnea principal de alimentacin de la subestacin. La
distribucin en alta tensin y la ubicacin de los transformadores de
distribucin que alimentarn las diferentes cargas del conjunto
urbano propuesto, tambin forman parte de los objetivos y
actividades desarrolladas. La seleccin e implementacin de un grupo
electrgeno de emergencia ha sido realizada descartando las cargas
no primordiales y su ubicacin dentro del conjunto se ha escogido
tal que, el equipo se encuentre lo mas cercano a la carga para
evitar problemas por cada de tensin.
Descriptores: Subestaciones Elctricas, Lneas de Distribucin,
Generacin de Emergencia.
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v
NDICE GENERAL APROBACIN iiAGRADECIMIENTOS iii RESUMEN
ivINTRODUCCIN 1 Captulo pp1. DESCRIPCIN DE LA EMPRESA Y
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 31.1 Descripcin de la empresa 31.2
Antecedentes 61.3 Justificacin e importancia del trabajo 71.4
Planteamiento del Problema 71.5 Objetivos 8 1.5.1 Objetivos
Generales 8 1.5.2 Objetivos Especficos 81.6 Marco Metodolgico 8
1.6.1 Tipo de Investigacin 8 1.6.2 Fases de Estudio 8 2. MARCO
TORICO 112.1 Introduccin. 112.2 Subestacin Elctrica 12 2.2.1 Tipos
de Subestaciones 13 2.2.2 Equipos Constitutivos de una Subestacin
13 a.- Transformador de Potencia 14 b.- Interruptor de Potencia 15
c.- Transformadores de Instrumento 16 d.- Apartarrayos o
Descargadores de Sobretensin 18 e.- Sistema de Puesta a Tierra. 18
2.2.3 Barras Colectoras. 19 a) Capacidad Trmica de los Conductores
en Rgimen Permanente 20 b) Capacidad Trmica de los Conductores en
Rgimen de Emergencia 21 c) Capacidad Trmica de los Conductores Bajo
Cortocircuito 22 2.2.4 Aisladores para las Barras Colectoras 22
2.2.5 Coordinacin de Aislamiento 23 2.2.6 Distancias Dielctricas
252.3 Sistema de Distribucin 272.4 Criterios de Seleccin de los
Dispositivos del Sistema de Distribucin 27 2.4.1 Seleccin del
Conductor por Capacidad de Corriente 27
-
vi
2.4.2 Seleccin del Conductor por Cada de Tensin 28 2.4.3 Clculos
Mecnicos. 29 a.- Clculos Mecnicos del Conductor 31 b.- Clculos
Mecnicos de los Apoyos Sencillos 36 2.4.4 Clculo de las Fundaciones
41 2.4.5 Clculo Mecnicos de Estructuras Auto-Soportantes 432.5
Sistema de Proteccin 47 2.5.1 Principales elementos de proteccin
del sistema de distribucin 482.6 Generador de Emergencia 51 2.6.1
rdenes de Conmutacin 52 2.6.2 Dispositivos de Conmutacin 53 2.6.3
Tipos de Conmutacin 53 3. ESTIMACIN DE LA DEMANDA 543.1
Determinacin de la Demanda Mxima 54 3.1.1 Demanda Diversificada de
reas Comerciales. Alumbrado y pequeos
..artefactos. 54
3.1.2 Estimacin de la Demanda por Alumbrado Pblico 55 3.1.3
Estimacin de la Demanda por Aire Acondicionado 55 3.1.4 Muestra de
los Resultados 55 4. DISEO DE LA SUBESTACIN ELCTRICA QUE ALIMENTAR
AL
CONJUNTO RESIDENCIAL GUASDUALITO (CRG) 58
4.1 Informacin Preliminar para el Diseo de la Subestacin
Elctrica 34,5/13,8 kV 584.2 Disposicin de los Equipos dentro de la
Subestacin 594.3 Caractersticas del Sistema 604.4 Estudio de
Cortocircuito 60 4.4.1 Falla Trifsica 61 4.4.2 Falla Monofsica
634.5 Clculo de la Barra 13,8 kV 634.6 Sistema de Puesta a Tierra
65 4.6.1. Malla de Puesta a Tierra 65 4.6.2. Tensin de Paso
Admisible 67 4.6.3. Tensin de Contacto Admisible 67 4.6.4. Tensin
de Paso y Contacto de la Malla de Puesta a Tierra Diseada 68 4.6.5.
Resistencia de Puesta a Tierra 69 4.6.6. Resultados 704.7 Sistema
de Iluminacin de la Subestacin Elctrica. 71 5. DISEO DE LNEA AREA
DE 34,5 KV PARA ALIMENTACIN DE
SUBESTACIN DE TRANSFORMACIN 72
-
vii
5.1 Planteamiento de la Ruta 725.2 Clculos Elctricos 725.3
Clculos Mecnicos 73 5.3.1 Verificacin de los Lmites de Seguridad y
Clculo de Tensado 74 5.3.2 Verificacin de las Fuerzas Transversales
del Postes Sencillos y Clculo de ..del Viento o Retenida.
76
5.3.3 Verificacin de las Fuerzas Verticales del Poste o Pandeo
81 5.3.4 Verificacin de las Fundaciones del Poste 825.4 Clculos
Mecnicos de Estructuras Autosoportantes 83 5.4.1 Clculo de la Carga
Transversal Total Resultantes 83 5.4.2 Clculo de la Carga Crtica al
Pandeo y Fundaciones. 84 6. DISEO DE DISTRIBUCIN SUBTERNEA EN 13,8
KV Y SELECCIN DE
GRUPO ELECTRGENO DE EMERGENCIA 86
6.1 Distribucin de la Carga y Ubicacin de los Transformadores
866.2 Seleccin del Conductor para Distribucin Subterrnea en 13,8 kV
876.3 Seleccin del Grupo Electrgeno de Emergencia y Tablero de
Transferencia .Automtica.
89
6.3.1 Gobernador Electrnico 92 6.3.2 Recolector Magntico 92
6.3.3 Caja de Control del Gobernador 93 6.3.4 Sensor de Potencia 93
6.3.5 Sistema de Proteccin 93 a.-. Rel de Potencia Inversa (32) 93
b.- Rel de Sobre Voltaje (59) 94 c.- Rel de Sub Voltaje (27) 94 d.-
Rel de Sub y Sobre Frecuencia (81) 94 e.- Rel de Sobre Corriente
(51) 94 f.- Rel Trmico (49) 94 7. ESPECIFICACIONES TCNICAS DE LOS
EQUIPOS 957.1 Transformador de Potencia 957.2 Interruptor de
Potencia 34,5 kV 967.3 Interruptor de Potencia 13,8 kV 967.4
Reconectador Trifsico 13,8 kV con apertura monofsica 977.5
Seccionador Tripolar Motorizado para 34,5 kV 977.6 Seccionador
Tripolar Motorizado para 13,8 kV 987.7 Descargador de Sobretensin
30 kV 987.8 Descargador de Sobretensin 12 kV 997.9 Cortacorrientes
para 13,8 kV y 34,5 kV 1017.10 Transformador de Potencial para 34,5
kV 102
-
viii
7.11 Transformador de Potencial para 13,8 kV 1037.12 Barras
Colectoras para 13,8 kV 1037.13 Poste Tubular de Acero 1047.14
Estructura Doble de Postes Tubulares de Acero 1047.15 Poste
Hexagonal para Alumbrado de la Subestacin 1047.16 Reflector para
Iluminacin de la Subestacin 1057.17 Tablero de Alumbrado y Fuerza
para Iluminacin de la Subestacin 1057.18 Conductores para Lneas
Areas de 13,8 kV y 34,5 kV de Alimentacin de la .Subestacin 1057.19
Conductor para Lnea Area 13,8 kV Salidas 1 y 2 de la Subestacin
1067.20 Conductor para Distribucin Subterrnea en 13,8 kV 1067.21
Transformador de Distribucin Tipo Pad Mounted 1067.22 Transformador
Monofsico Tipo Poste 1077.23 Aislador Tipo Espiga para 34,5 kV
1087.24 Aislador Tipo Espiga para 13,8 kV 1097.25 Aislador de
Suspensin para 13,8 kV y 34,5 kV 1097.26 Generador de Emergencia
1107.27 Tanquillas, Bancadas y Trincheras Portacables 111
CONCLUSIONES 112RECOMENDACIONES 113REFERENCIAS 114
-
ix
LISTA DE TABLAS
TABLA pp1.1 Normas Empleadas para el Diseo de la Subestacin y
Extensin de la Lnea 34,5 Kv 10 2.1 Niveles de Coordinacin de
Aislamiento 242.2 Distancias de Seguridad para Instalaciones
Exteriores. Norma CADAFE 158-88 262.3 Temperatura para las
diferentes zonas del pas de acuerdo a su altitud sobre el nivel
..del mar
32
2.4 Tensin de Ruptura de las Guayas Comerciales 39 3.1 reas que
conforman el Conjunto Residencial Guasdualito 563.2 Estimacin de la
Demanda de Alumbrado y Pequeos Artefactos 563.3 Estimacin de la
Demanda de Alumbrado Pblico 563.4 Estimacin de la Demanda por Aire
Acondicionado 573.5 Estimacin de la Demanda Mxima Total del CRG
573.6 Demanda Total de la Subestacin Elctrica 57 4.1 Caractersticas
Elctricas del Sistema 604.2 Valores de Cortocircuito 604.3
Corrientes de Cortocircuito Trifsica 634.4 Corriente de
Cortocircuito Monofsica 634.5 Corriente Nominal Barra B 644.6
Caractersticas de la Barra Colectora 644.7 Capacidad Trmica de la
Barra Colectora Bajo Cortocircuito 644.8 Capacidad Trmica de la
Barra Colectora en Rgimen Permanente 644.9 Capacidad Trmica de la
Barra Colectora en Rgimen de Emergencia 654.10 Resistividad del
Terreno 654.11 Caractersticas de la Malla de Puesta a Tierra 664.12
Caractersticas del Conductor de la Malla de Puesta a Tierra 664.13
Resultados Diseo de la Malla de Puesta a Tierra 704.14 Niveles de
Tensin y Resistencia Mximos por Norma para el Diseo del Sistema de
Puesta a Tierra
70
4.15 Niveles de Iluminacin Norma CADAFE 162-88 714.16
Verificacin del Calibre del Conductor para el Sistema de Alumbrado
71 5.1 Clculos Elctricos 735.2 Caractersticas del Conductor 735.3
Lmites de Seguridad 745.4 Vanos y ngulos de la Lnea de 34,5 kV
745.5 Condiciones de Diseo Lmite R 755.6 Condiciones de Diseo Lmite
D 75
-
x
5.7 Condiciones de Diseo Flecha Mxima 755.8 Tabla de Tensado
775.9 Caractersticas del Poste Tubular de Acero 785.10 Altura de
Conexin de los Conductores sobre el Poste 795.11 Fuerza Resultante
del Viento contra el Poste 795.12 Fuerza Resultante del Viento
sobre el Conductor 795.13 Fuerza Resultante por Cambio de Direccin
805.14 Tabla Resumen. Fuerza Transversal Resultante sobre el Poste
805.15 Seleccin del Calibre de la Guaya para la Retenida o Viento
805.16 Verificacin de los Dimetros del Poste sin Retenida 815.17
Verificacin del Poste por Pandeo 815.18 Cargas Verticales sobre el
Poste 825.19 Descripcin y Verificacin de las Fundaciones 825.20
Clculo Mecnico de Estructuras Auto-soportantes. 835.21 Momento de
Inercia Total y Esfuerzo en Cumbre. 835.22 Carga debido al tiro de
los Conductores. 835.23 Carga debido al viento. 845.24 Carga Crtica
al Pandeo. 845.25 Cargas Verticales sobre la estructura. 845.26
Verificacin de las Fundaciones. 85 6.1 Distribucin de la Carga
866.2 Tabla de Transformadores del Sistema de Distribucin
Subterrnea 876.3 Tabla de Transformadores del Sistema de
Distribucin Subterrnea. Propuesta 2. 876.4 Caractersticas del
Conductor [CADAFE Norma de Redes de Distribucin Subterrnea] 88
6.5 Carga Conectada a las Lneas de Distribucin Subterrnea. 886.6
Cada de Tensin de la Red de Distribucin Subterrnea Propuesta 1.
886.7 Cada de Tensin de la Red de Distribucin Subterrnea Propuesta
2. 896.8 Potencias Nominales de los Generadores 896.9 Clculo de la
Potencia del Generador de Emergencia. Propuesta 1. 906.10 Parmetros
del Tablero de Transferencia Automtica Generador 500 kW 906.11
Clculo de la Potencia del Generador de Emergencia. Propuesta 2.
916.12 Parmetros del Tablero de Transferencia Automtica. Generador
125 kW. 916.13 Parmetros del Tablero de Transferencia Automtica.
Generador 350 kW. 91 7.1 Caractersticas Tcnicas del Transformador
de Potencia 957.2 Caractersticas Tcnicas del Interruptor de
Potencia 34,5 kV 967.3 Caractersticas Tcnicas del Interruptor de
Potencia 13,8 kV 967.4 Caractersticas Tcnicas del Seccionador
Tripolar 34,5 kV 977.5 Caractersticas Tcnicas del Seccionador
Tripolar 13,8 kV 98
-
xi
7.6 Caractersticas Tcnicas del Descargador de Sobretensin 30 kV
997.7 Caractersticas Tcnicas del Descargador de Sobretensin 12 kV
1007.8 Condiciones Ambientales de Diseo 1017.9 Caractersticas
Tcnicas de los Cortacorrientes 1027.10 Caractersticas Tcnicas de
los Transformadores de Potencial 34,5 kV 1037.11 Caractersticas
Tcnicas de los Transformadores de Potencial 13,8 kV 1037.12
Caractersticas Tcnicas de las Barras Colectoras 1037.13 Dimensiones
de los Postes 1047.14 Caractersticas Tcnicas de los Postes 1047.15
Caractersticas Tcnicas del Conductor de las Lneas Areas 34,5 kV y
13,8 kV 1067.16 Caractersticas Tcnicas del Conductor para
Distribucin Subterrnea 1067.17 Caractersticas Tcnicas Transformador
Tipo Pad Mounted 1077.18 Caractersticas Tcnicas Transformador
Monofsico Tipo Poste 1077.19 Caractersticas Tcnicas de los
Aisladores Tipo Espiga 34,5 kV 1087.20 Caractersticas Tcnicas de
los Aisladores Tipo Espiga 13,8 kV 1097.21Caractersticas Tcnicas de
los Aisladores de Suspensin para 13,8 kV y 34,5 kV 1097.22
Caractersticas Tcnicas del Generador de Emergencia 110
-
xii
LISTA DE FIGURAS FIGURA pp1.1 Ubicacin Geogrfica de PDVSA
Distrito Social Barinas 41.2 Localizacin de PDVSA en la ciudad de
Barinas 41.3 Organigrama de la Gerencia General de la Divisin 51.4
Organigrama de la Gerencia de Desarrollos Urbanos 6 2.1 Esquema
Sencillo del Proceso de Transporte de la Energa Elctrica 122.2
Interruptor en Gran y Pequeo Volumen de Aceite 172.3 Interruptor en
Hexafluoruro de azufre 172.4 Coordinacin de Aislamiento 232.5
Fuerza Resultante del Viento sobre el Conductor 322.6 Fuerza del
Viento Sobre el Poste 362.7 Fuerza de la Guaya 382.8 Fundacin del
Poste 412.9 Tipos de Cortacorrientes Portafusibles 492.10 Tipos de
Reconectadores 50 4.1 Diagrama Unifilar de la Subestacin 614.2
Circuito Equivalente de Thevenin 61 7.1 Cortacorriente 1027.2
Reflector de Vapor de Sodio 400 W 1057.3 Transformador Monofsico
Tipo Poste 1087.4 Aislador Tipo Espiga 1087.5 Aislador de Suspensin
110
-
1
INTRODUCCIN
La energa elctrica actualmente es uno de los servicios bsicos de
la humanidad, su
relevancia transciende desde la simple utilizacin de un bombillo
hasta la iluminacin de
grandes ciudades.
Son muchos los mecanismos de generacin de energa elctrica, desde
las plantas
hidroelctricas hasta las plantas de energa nuclear, todas
diseadas para un mismo fin:
mejorar la calidad de vida de las poblaciones que acceden al
servicio. Es por esta razn, que se
ha convertido en un plan nacional el llevar a todo rincn de
Venezuela donde existan
comunidades, los beneficios del sistema elctrico.
Petrleos de Venezuela (PDVSA), es una empresa del Estado que
genera las mayores
divisas, en tal sentido, es la encargada de promover el
desarrollo econmico y social del pas.
Dentro de los proyectos que impulsa la Corporacin se encuentran
la creacin de Sistemas de
Generacin y Redes de Distribucin Elctricas.
Para la formacin de nuevos servicios diseados por PDVSA
dirigidos al desarrollo de las
comunidades, se plantea la construccin de un Conjunto
Residencial en la ciudad de
Guasdualito Edo. Apure, conformado por edificios de tipologa
moderna para la realizacin de
actividades socio-culturales, administrativas y de salud.
La Gerencia de Desarrollo Urbano es la encargada de realizar el
diseo de proyectos no
operacionales y sociales requeridas para las actividades de la
Corporacin, es por ello que
actualmente se encuentra dirigiendo los mecanismos necesarios
para la elaboracin y
ejecucin del proyecto denominado Conjunto Residencial
Guasdualito (CRG), en el cual se ha
propuesto la construccin de una subestacin de transformacin
34,5/13,8 kV para la
alimentacin del centro.
La elaboracin de la propuesta de ingeniera bsica de la
subestacin 34,5/13,8 kV del
CRG, ha sido delegada por la Gerencia de Desarrollos Urbanos
como Tema para la ejecucin
del presente Trabajo de Grado, que se encuentra estructurado en
siete (7) captulos designados
a la descripcin de los procedimientos utilizados para el diseo
del proyecto.
-
2
En el Captulo I, se muestra la Descripcin de la Empresa, el
Planteamiento del Problema
y los objetivos propuestos para la realizacin del proyecto.
Marco Terico, que es el nombre que recibe el Captulo II, exponen
los fundamentos o
bases tericas necesarias para el total entendimiento de los
trminos tcnicos empleados en el
trabajo.
Se ha designado el Captulo III al estudio de la Demanda de la
Subestacin. Aqu se
describen los procedimientos utilizados para la estimacin de la
Potencia nominal de la
Subestacin, por lo cual recibe el titulo de Estimacin de la
Demanda.
El Captulo IV, Disposicin de los Equipos dentro de la Subestacin
y Diseo del Sistema
de Puesta a Tierra, presenta los criterios necesarios para la
ubicacin de lo equipos de
potencia y diseo del sistema de puesta a tierra.
Diseo de la Lnea Area de 34,5 kV para Alimentacin de Subestacin
de
Transformacin, como se denomina el Captulo V, describe los
procedimientos empleados
para el diseo de la lnea area de 34,5 kV utilizada como lnea
principal de alimentacin de la
subestacin.
Esta definido el Captulo VI con el titulo Diseo de Distribucin
Subternea en 13,8 kV y
Seleccin de Grupo Electrgeno de Emergencia, en l se realiza el
diseo de la red de
distribucin de alta tensin del CRG y se exponen los juicios
empleados para la seleccin del
gruido electrgeno de emergencia.
En el Captulo VII Especificaciones Tcnicas describe las
caractersticas de los equipos
empleados en el diseo del proyecto.
Para finalizar, se presentan las Conclusiones y Recomendaciones
finales.
-
3
CAPTULO I DESCRIPCIN DE LA EMPRESA Y PLANTEAMIENTO DEL
PROBLEMA El Trabajo de Grado aqu desarrollado fue designado por
la Gerencia de Desarrollos Urbanos,
PDVSA Divisin Centro Sur, como proyecto necesario para la
ejecucin de un Conjunto de
Edificaciones a ser construidas en la ciudad de Guadualito para
el mejoramiento de las
actividades administrativas y servicios prestados al personal
que labora para la empresa
PDVSA dentro del estado Apure. En este captulo se tiene como
objeto, presentar brevemente
la estructura organizacional de la empresa PDVSA y de la
Gerencia de Desarrollos Urbanos
al mismo tiempo que se expone la justificacin del trabajo
elaborado.
1.1 DESCRIPCIN DE LA EMPRESA
Petrleos de Venezuela S.A. (PDVSA) pone en prctica un conjunto
de actividades
dirigidas a planificar, coordinar, supervisar y controlar las
actividades de sus empresas
operadoras y filiales, tanto en Venezuela como en el exterior,
llevando a cabo tambin sus
planes de expansin y desarrollo promoviendo acciones orientadas
a la Exploracin y
Produccin para el desarrollo de Petrleo, Gas, y Crudo Pesado de
la Faja del Orinoco,
produccin y manufactura de Orimulsin, y Explotacin de los
yacimientos de Carbn.
Actualmente PDVSA est constituida por tres grandes divisiones
dedicadas a las
actividades medulares del negocio: PDVSA Exploracin y Produccin
responsable del
desarrollo de los recursos de petrleo, gas, carbn y la
manufactura de Orimulsin, PDVSA
Manufactura y Mercadeo a cargo de las actividades de refinacin
de crudo, as como tambin
de la manufactura de producto y su comercializacin del gas
natural y cumple funciones de
transporte martimo y PDVSA Servicios quien es responsable del
suministro de servicio
integrado, especializado y competitivo, a toda la corporacin.
[Aranguren Enver, 2008].
-
4
Fig. 1.1 Ubicacin Geogrfica de PDVSA Distrito Social Barinas
[Aranguren Enver, 2008]
Localizacin de la Empresa
El Centro de Operaciones Administrativas de la Divisin Centro
Sur se encuentra ubicado
en la Avenida Orlando Araujo, Sector Campo la Mesa, Sede
Principal PDVSA Divisin
Centro sur, en la ciudad de Barinas Estado Barinas.
Fig. N 1.2. Localizacin de PDVSA en la ciudad de Barinas
[Aranguren Enver, 2008].
-
5
La Gerencia General de Divisin se encuentra organizada de
acuerdo al organigrama que
se muestra a continuacin:
Fig. 1.3. Organigrama de la Gerencia General de la Divisin
[Aranguren Enver, 2008].
Descripcin de la Gerencia
La Gerencia de Desarrollos Urbanos se encuentra organizada por
Superintendencias,
destinadas a la realizacin de las actividades relacionadas con
Infraestructuras No
Operacionales. Las Superintendencias que conforman la Gerencia
son: Superintendencia de
Diseo, Superintendencia de Planificacin, Control y Gestin,
Superintendencia de
Infraestructura Social, Superintendencia de Infraestructura no
operacional. Superintendencia
de Diseo.
El Trabajo de Grado fue realizado como solicitud hecha por la
Gerencia a la
Superintendencia de Diseo la cual es la encargada de visualizar
y realizar el estudio de la
-
6
ingeniera bsica y de detalle de los proyectos no operacionales y
sociales de los Estados
Apure, Barinas y Gurico.
Misin de la Gerencia
Proveer el diseo de infraestructuras no operacionales y sociales
requeridas para las
actividades de la corporacin, al mismo tiempo de proporcionar
servicios a entes
gubernamentales en la elaboracin de proyectos especiales.
Fig. 1.4. Organigrama de la Gerencia de Desarrollos Urbanos.
1.2 ANTECEDENTES
Debido al creciente auge en las actividades de la regin tradas
como consecuencia de la
exploracin y produccin petrolera, as como el estado actual en
las que se encuentran las
lneas de distribucin del Estado y el creciente nmero de fallas
que ha presentado el sistema
interconectado de la Red Elctrica Nacional, PDVSA- Divisin
Centro Sur como ente
principal de la Regin, ha establecido un conjunto de proyectos
dirigidos a satisfacer la
demanda energtica de las zonas rurales de los estados Apure,
Barinas y Gurico como aporte
a la gran deuda social que maneja con sus comunidades. Dentro de
los proyectos realizados
por la Gerencia de Desarrollos Urbanos, relacionados con lo
explicado anteriormente pero
avocados al estado Apure, se encuentran: Diseo de 4,6 km de Lnea
Elctrica en Baja
Tensin en el Sector Puerto Bocas de Rio Viejo, Diseo de 6.3 km
de Lnea Elctrica en Baja
Tensin Para el Sector los Corozos, Electrificacin en Media y
Baja Tensin Red Monofsica
Biruaca, Diseo de Redes de Distribucin Elctricas de Alta y Baja
Tensin con Alumbrado
Publico, Sector La Esperanza 361. Arichuna, Electrificacion
Rural de 13,8 kV Sector La
Hermosa Isla Apurito, entre otros.
-
7
1.3 JUSTIFICACIN E IMPORTANCIA DEL TRABAJO
Aunado a la gran deuda social que sostiene PDVSA-Divisin Centro
Sur con la poblacin
del Estado Apure y al creciente nmero de empleados que laboran
en dicho Distrito, se
plantea y propone un proyecto de Construccin de un Conjunto de
Urbanismo y Edificaciones
de Tipologa Moderna aptos para la realizacin de Eventos de
Carcter Social Cultural y
Empresarial, Actividades Administrativas, Residencial y de
Salud, que estar ubicado dentro
de las instalaciones de PDVSA en Guasdualito del Distrito
Apure.
Este proyecto, denominado Conjunto Residencial Guasdualito
(CRG), esta compuesto por
un Edificio de Recepcin con un rea aproximada de 200 , un Centro
de Eventos con un
rea de construccin de 948.30 , un Clnica Industrial con un rea
de construccin de
1672.74 , un conjunto de Edificios Administrativos con un rea
total de 4872.18 , un
Edificio Residencial con un rea aproximada de 672 , un Galpn de
Flota Pesada, una
Planta de Tratamiento de Aguas, reas Verdes, Estacionamientos y
Camineras.
2m2m
2m 2m2m
En funcin de esto y que la carga asociada a este complejo es
significativa, se crea la
necesidad de disear, construir y ejecutar una subestacin
34.5/13,8 kV que permita un optimo
desempeo de los equipos que integran dicho complejo, para no
causar un impacto grande al
sistema de distribucin en 13.8 KV que actualmente se encuentra
en los limites de carga de los
transformadores de potencia.
1.4 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El Centro de Operaciones Administrativas de la Divisin Centro
Sur ubicado en la Ciudad
de Guasdualito Estado Apure, actualmente se encuentra saturado
puesto que las instalaciones
no cuentan con espacio fsico suficiente para congregar al
numeroso personal que labora
diariamente en el Distrito Apure.
En consecuencia, se ha propuesto el diseo y construccin de otra
cede en la ciudad de
Guadualito que incorpora espacios fsicos destinados para la
realizacin de actividades Social,
Cultural y Empresarial y as socavar la situacin actual en la que
se encuentra dicho Distrito
de Divisin Centro Sur.
-
8
1.5 OBJETIVOS
1.5.1 Objetivos Generales
Disear la Ingeniera Bsica de Subestacin Elctrica 34,5/13,8 kV
del Conjunto Residencial Guasdualito (CRG).
Estudiar y Seleccionar el Grupo Electrgeno de Emergencia
necesario para el CRG.
1.5.2 Objetivos especficos
Estudiar las condiciones mnimas necesarias para la construccin
de la subestacin elctrica.
Determinar la demanda de la subestacin elctrica, as como la
capacidad de todos los equipos a instalarse en la subestacin.
Realizar el estudio de corto circuito en subestacin elctrica.
Disear la extensin de lnea 34,5 kV que alimentar la subestacin
elctrica.
1.6 MARCO METODOLGICO
1.6.1 Tipo de Investigacin
El presente Trabajo de Grado se encuentra enmarcado en
fundamentos tericos y trabajo
de campo, que contempla la recoleccin de informacin, el anlisis,
planteamientos de
estrategias de solucin a los problemas encontrados fundadas en
el anlisis documental,
basndose para ello en normativas CADAFE y normativas internas de
PDVSA.
1.6.2 Fases de Estudio
a) Bsqueda y recoleccin de informacin preliminar y alcance del
proyecto.
b) Recoleccin de informacin y material bibliogrfico para el
diseo de la subestacin
elctrica y seleccin de planta generadora de emergencia. Una de
las actividades ms
importantes para la realizacin del Trabajo de Grado es la
recopilacin del material
bibliogrfico y fuentes electrnicas ya que, facilita una rpida y
eficiente visualizacin del
-
9
proyecto a realizar al mismo tiempo que, permite desarrollar y
ejecutar un conjunto de
estrategias y pasos necesarios para el diseo de la subestacin
elctrica.
La tcnica empleada para la recopilacin de la informacin se puede
describir en tres
partes fundamentales:
o Bsqueda: En esta parte se recoge y almacena toda la informacin
que pudiera ser til para la elaboracin del Trabajo de Grado sin
pretender clasificar y descartar material
bibliogrfico alguno.
o Seleccin: Corresponde a la clasificacin y seleccin del
material bibliogrfico y fuentes electrnicas que posean informacin
de inters para el desarrollo del Trabajo
de Grado utilizando para ello una lectura rpida, sin detenerse a
la comprensin
detallada de la misma.
o Revisin: Comprende el estudio detallado de la informacin
seleccionada para el diseo de la subestacin elctrica.
c) Determinacin de la demanda de la subestacin y capacidad de
las barras principales.
Permite establecer las caractersticas principales de la
subestacin y el dimensionamiento
de los equipos que la conformarn.
d) Diseo de la Ingeniera Bsica de la subestacin elctrica
34,5/13,8 kV. En esta etapa se
establece el alcance de la ingeniera de detalle, se prepara la
documentacin necesaria para
el diseo final de la subestacin, se realizan clculos de diseo
aproximados o
estimaciones, y se estudian diferentes opciones de diseo y
especificaciones de equipos.
e) Estudio y seleccin de la planta generadora de emergencia.
Comprende el estudio,
seleccin y definicin de las especificaciones tcnicas de la
planta generadora de
emergencia necesaria para la alimentacin del CRG.
f) Diseo de extensin de lnea 34,5 kV para alimentacin de la
subestacin elctrica.
Comprende el estudio y diseo de la lnea de 34,5 kV de
alimentacin de la subestacin
elctrica, extrada como derivacin de la lnea expresa 34,5 kV
empleada por PDVSA para
alimentar los pozos petroleros en la regin.
-
10
g) Normativas.
Tabla N1.1 Normas Empleadas para el Diseo de la Subestacin y
Extensin de Lnea.
CODIGO DESCRIPCION
NORMAS CADAFE REDES ELCTRICAS DISTRIBUCIN AREA
REDES ELCTRICAS DISTRIBUCIN SUBTERRNEA
DISEO DE SUBESTACIONES ELCTRICAS
NORMAS PDVSA MANUAL DE INGENIERA DE DISEO
GENERADORES DE EMERGENCIA
COVENIN 200 CDIGO ELCTRICO NACIONAL
-
11
CAPTULO II MARCO TERICO
2.1 INTRODUCCIN
Basados en una ley fundamental de la fsica como lo es la Ley de
la Conservacin de la
energa, primer principio de la termodinmica, donde se afirma que
la cantidad total de
energa en cualquier sistema aislado (sin interaccin con ningn
otro sistema) permanece
invariable con el tiempo, aunque dicha energa puede
transformarse en otra forma de energa,
se pueden encontrar en la actualidad numerosas formas de generar
energa elctrica como son:
la trmica, atmica, solar, elica, hidrulica, entre otros.
[Wikipedia, 2008]
Una de las fuentes principales para la generacin de energa
elctrica en nuestro pas,
consiste en transformar la energa potencial de una masa de agua
contenida en una represa en
energa cintica capaz de mover los alabes de una turbina y hacer
girar el rotor del generador
y producir as, el campo magntico necesario para que se induzca
corriente en los devanados
del estator y generar energa elctrica.
Por complicaciones tcnicas los niveles de tensin de los
generadores slo alcanzan los 26
kV en tal sentido, se ve necesario elevarlos a travs de
transformadores de potencia para
transportar la energa generada a los centros de consumo de lo
contrario, las prdidas de
potencia por cada de tensin haran al sistema No rentable desde
el punto de vista tcnico y
econmico.
Debido a que los centros de consumo de mayor importancia se
encuentran retirados de las
fuentes de generacin, es necesario elevar los niveles de tensin
de la red para disminuir las
prdidas por calentamiento por efecto Joule del conductor en el
proceso de transmisin y a
-
12
medida que las lneas se acercan a la carga, se disminuyen los
voltajes del sistema
progresivamente hasta alcanzar los valores de consumo.
El sistema interconectado de la Red Nacional de Energa Elctrica
maneja el siguiente
esquema para el transporte de la energa desde su generacin hasta
ser entregada a consumidor
(Ver Fig. 2.1). Los niveles de tensin estipulados para cada
etapa son los siguientes:
Generacin: 20 26 kV Transmisin: 115 765 kV Subtransmisin: 69 230
kV Distribucin: 13.8 34.5 kV Centro de Consumo (Carga): 120/208/480
V
Fig. 2.1 Esquema sencillo del proceso del transporte de la
energa elctrica.
2.2 SUBESTACIN ELECTRICA
En los grandes y modernos sistemas de generacin elctrica, las
redes de transmisin y
distribucin funcionan como medio fsico para entregar la energa a
los usuarios en los centros
de carga a niveles ptimos de voltaje, que satisfagan la
demanda.
La subestacin elctrica no es ms que una de las partes que
intervienen en el proceso de
generacin-consumo y se define como un conjunto de elementos o
dispositivos que permiten
cambiar las caractersticas de energa elctrica (voltaje,
corriente, frecuencia, etc), y derivar
circuitos de potencia. [Manual para el Diseo de Instalaciones
Elctricas, 1962]
Con propsito de aumentar la confiabilidad del sistema de
generacin-consumo y
aumentar la capacidad de reserva de energa, en la actualidad es
comn encontrar un sistema
interconectado que permite compartir la energa generada con
otras zonas y esto a su vez,
-
13
aumenta el riesgo de un apagn general. Para el diseo de una
subestacin elctrica, debe
considerarse varios factores como son confiabilidad, seguridad,
un diseo sencillo y el factor
tcnico-econmico para as proporcionar un alto nivel de
continuidad, flexibilidad de
operacin y bajos costos.
2.2.1 Tipos de Subestaciones
La seleccin del tipo apropiado de estacin o subestacin elctrica,
depende del nivel de
tensin, capacidad de corriente, condiciones ambientales, espacio
o terreno de construccin y
necesidades de la carga.
De acuerdo a las necesidades y condiciones de la subestacin
elctrica, sta puede ser
clasificada de la siguiente manera: [Manual para el Diseo de
Instalaciones Elctricas, 1962]
a) Por su operacin: De corriente alterna y de corriente
continua.
b) Por su servicio:
1. Primarias: Elevadoras, Receptoras reductoras, De enlace o
distribucin, De
switcheo o de maniobra, Rectificadoras.
2. Secundarias: Receptoras reductoras o elevadoras,
Distribuidoras, De enlace,
Convertidotas, Rectificadoras.
c) Por su construccin: Tipo intemperie, Tipo Interior, Tipo
Blindada.
2.2.2 Equipos Constitutivos de una Subestaciones
Segn el Manual para el Diseo de Instalaciones Elctricas de la
Cmara Venezolana de la
Industria Elctrica, los elementos que constituyen una subestacin
se pueden clasificar en:
o Elementos Principales: Transformador, Interruptor de potencia,
Restaurador o reconectador, Cuchillas fusibles, Cuchillas
desconectadoras y cuchillas de prueba,
Apartarrayos o descargadores de sobretensin, Tableros dplex de
control,
Condensadores, Transformadores de instrumento.
-
14
o Elementos Secundarios: Cables de potencia, Cables de control,
Alumbrado, Estructuras, Herrajes, Equipos de tierra,
Intercomunicacin, Trincheras, Ductos,
Conducto, Drenaje, Cercas.
a.- Transformador de Potencia
El transformador es el dispositivo de potencia de mayor
importancia dentro de la
subestacin elctrica. Est diseado bajo el principio de induccin
electromagntica que
permite la transferencia de energa elctrica de un circuito a
otro conservando la frecuencia
constante y cambiar la magnitud de las tensiones elctricas.
Estos circuitos estn ligados
magnticamente y aislados elctricamente. [Manual para el Diseo de
Instalaciones Elctricas,
1962].
El transformador de potencia est formado por tres partes
principales: [Martn, J, 1987]
o Parte activa: Formada por un conjunto de elementos separados
del tanque principal como son: El Ncleo que constituye el circuito
magntico y las bobinas que
constituyen los circuitos elctricos.
o Parte pasiva: Consiste en el tanque donde se aloja la parte
activa. El tanque debe ser hermtico, soportar el vaco absoluto sin
presentar deformacin permanente,
proteger elctrica y mecnicamente el transformador, ofrecer punto
de apoyo para
el transporte y carga del mismo, soportar los enfriadores,
bombas de aceite,
ventiladores y los accesorios especiales.
o Accesorios: Son un conjunto de partes y dispositivos que
auxilian en la operacin y facilitan los labores de mantenimiento.
Entre estos elementos destacan: Tanque
Conservador, Boquillas, Tablero, Vlvulas, Conectores a tierra,
Placa de
caractersticas.
Los tipos de enfriamiento de los transformadores son: Tipo OA,
sumergido en aceite con
enfriamiento propio, es el tipo bsico y sirve como norma para
capacidad y precio de otros
transformadores; Tipo OA/FA, sumergido en aceite con
enfriamiento propio por medio de aire
forzado; Tipo OA/FA/FOA, sumergido en aceite con enfriamiento
propio a base de aire
-
15
forzado y aceite forzado; Tipo FOA, sumergido en aceite con
enfriamiento a base de aceite
forzado y con enfriador de aire forzado, se emplean cuando se
quiere que operen las bombas
de aceite y aire al mismo tiempo; Tipo OW, sumergido en aceite y
enfriado con agua; Tipo
AA, tipo seco con enfriamiento propio, no tiene aceite ni otro
lquido para enfriamiento, se
utilizan para voltajes menores a los 15 kV; Tipo AFA, tipo seco
enfriado por aire forzado.
b.- Interruptor de Potencia
Los interruptores de potencia son dispositivos que interrumpen a
continuidad de un
circuito elctrico bajo carga en condiciones normales y bajo
condiciones de cortocircuito. El
nivel de confiabilidad de la subestacin puede medirse de acuerdo
al comportamiento del
interruptor.
Los interruptores de potencia que se encuentran en el mercado
pueden ser: [Martn, J,
1987]
1. Interruptores de aceite.
a. De Gran Volumen de Aceite. Se caracterizan por su gran
volumen de aceite
y se construyen generalmente en tanques cilndricos debido a las
fuertes
presiones internas. (Ver figura 2.2a)
b. De Gran Volumen de Aceite con Cmara de Extincin. Nace
como
consecuencia de las grandes presiones internas que presentaba el
dispositivo
anterior. Reduce los riesgos de explosin al reducir las
presiones internas a
un volumen menor.
c. De Pequeo Volumen de Aceite. Su contenido de aceite vara
entre el 1.5 y
2.5 % del encontrado en los interruptores de gran volumen de
aceite. Su
construccin es bsicamente una cmara de extincin modificada
para
mayor flexibilidad de operacin. (Ver figura 2.2b)
2. Interruptores neumticos. El sistema de extincin del arco se
basa en la utilizacin
de aire comprimido obtenido a travs de una o varias compresoras,
un tanque
principal, un tanque de reserva y un sistema de distribucin en
caso de que sean
-
16
varios interruptores. Ofrece mayor nivel de seguridad que el de
aceite pues reduce
los riesgos por explosin e incendio. Interrumpe las corrientes
de falla en menos
ciclos y es mucho ms econmico.
3. Interruptores de Hexafluoruro de azufre. La cmara de extincin
opera dentro de un
gas denominado Hexafluoruro de azufre (SF6) que tiene una
capacidad dielctrica
superior a otros fluidos conocidos. Son ms compactos y soportan
un mayor
nmero de operaciones. (Ver figura 2.3)
c.- Transformadores de Instrumento
Los transformadores para instrumento son aquellos empleados para
alimentar los equipos
de medicin, control y proteccin. Reducen los valores del sistema
a valores que pueden ser
medidos por los dispositivos de medicin y proteccin que forman
parte del sistema de
control.
Los transformadores para instrumento se dividen en dos
clases:
1. Transformadores de corriente. Transforma el valor de la
corriente de la red a valores
que pueden ser ledos por los instrumentos de medicin y proteccin
y aislar los
instrumentos conectados a los circuitos de alta tensin. Pueden
ser fabricados para
servicio interior o exterior y ser utilizados para medicin,
proteccin o mixtos segn
sea el diseo.
2. Transformadores de potencial. Transforma el valor de tensin
de la red a valores
permitidos por los instrumentos de medicin y proteccin y aislar
los instrumentos
conectados a los circuitos de alta tensin. Al igual que los
transformadores de
corriente, pueden ser fabricados para servicio interior o
exterior y ser utilizados para
medicin, proteccin o mixtos.
-
17
(a) (b)
Fig. 2.2 a)Interruptor en gran volumen de aciete. b) Interruptor
en pequeo volumen de aciete [Fundamentos de Instalaciones Elctricas
de Medaina y Alta Tensin].
Fig. 2.3 Interruptor en hexafluoruro de azufre [Fundamentos de
Instalaciones Elctricas de Mediana y Alta Tensin].
-
18
d.- Apartarrayos o Descargadores de sobretensin
Estn formados por una serie de elementos resistivos no lineales
y explosores que limitan
las sobretensiones que se presentan en la subestacin debido a
descargas atmosfricas o fallas
del sistema.
Debe comportarse como un aislador siempre que la tensin aplicada
no exceda el voltaje
nominal del descargador y disminuir velozmente su resistencia en
caso de presentarse una
sobretensin mayor al voltaje nominal del descargador para as
drenar a tierra la onda de
corriente producida por la onda de sobretensin. Una vez
desaparecida la sobretensin el
descargador debe volver a su estado inicial y comportarse
nuevamente como un aislador.
e.- Sistema de puesta a tierra
El sistema de puesta a tierra surge por la necesidad de proveer
un camino de baja
resistencia para el flujo de corrientes peligrosas originas por
fallas de cortocircuito o descargas
atmosfricas que atentan contra la vida til de los equipos de
potencia y la continuidad del
servicio elctrico.
El diseo del sistema de puesta a tierra considera el estudio de
las diferencias de potencial
entre distintos puntos de la subestacin, que pudieran existir
durante la circulacin de las
corrientes de falla para as aumentar los niveles de seguridad
para la circulacin de personal de
mantenimiento dentro de las instalaciones. Est compuesto
esencialmente de electrodos
enterrados en tierra, y conductores de cobre que entrelazan los
electrodos y permiten la
conexin de los gabinetes de los equipos y dems instalaciones que
se ven afectadas por las
elevadas corrientes de falla.
La resistividad del terreno vara de acuerdo al tipo de terreno y
las condiciones
ambientales del sitio, encontrndose desde los 10 -m para la
arcilla, mantillo hmedo hasta
los -m para tierra rocosa. El terreno generalmente esta
compuesto por diferentes capas o
estratos, cada una con diferente valor de resistividad que deben
ser consideradas para el diseo
del sistema de puesta a tierra de los equipos.
410
-
19
La Norma IEEE Std. 80 Guide for Safety in AC Substation
Grounding y la Norma
CADAFE 109-92 Presentacin de Proyectos de Subestacin de
Transmisin, Sistema de
Puesta a Tierra son referencias obligatorias para el diseo
efectivo de la puesta a tierra de los
equipos. En estas Normas se encuentran estipuladas las
ecuaciones para el clculo de malla de
tierra y la normativa designada para la conexin de los equipos y
cerca perimetral al sistema
de puesta a tierra.
2.2.3 Barras Colectoras
El conjunto de conductores elctricos que permite la conexin comn
de diferentes
circuitos dentro de una subestacin, es denominado barra
colectora. Estn compuestas por
conductores elctricos, aisladores, conectores y herrajes que
permiten la unin, soporte
mecnico y aislamiento entre los conductores integrantes del
juego de barra colectora. El
diseo y construccin de los juegos de barras colectoras, difiere
del tipo de subestacin y
pueden encontrarse las siguientes configuraciones:
1. Cables. Tipo de barra diseada con cables de alambre trenzado
en forma helicoidal. Es
la configuracin ms empleada y econmica. Presenta mayores prdidas
por efecto
corono y efecto superficial.
2. Tubos. Este tipo de barra colectora se emplea para llevar
grandes cantidades de
corriente. Se utiliza en subestaciones compactas pues resulta
mas econmico su
implementacin pues reduce el nmero de soportes en todos los
planos, facilita la
unin entre tramos de tubo, reduce las prdidas por efecto corono
y efecto superficial.
3. Soleras. Es empleada para transportar grandes cantidades de
corriente especialmente en
interiores. Es relativamente ms econmica que la barra colectora
de tubo y tiene una
excelente ventilacin en posicin vertical.
La Norma CADAFE 158-88 presenta un conjunto de criterios y
recomendaciones para el
clculo del juego de barras de la subestacin. Dentro de los
criterios para el clculo mecnico
se tiene:
-
20
1. Flecha mxima para temperatura mxima (70C) no debe exceder el
2% del vano,
para vanos menores de 20m; el 3% para vanos entre 21 y 80 m y 5%
para vanos
mayores a 81 m.
2. Tensin mxima 80% de la tensin de diseo con viento de 120
km/h.
a) Capacidad trmica de los conductores en rgimen permanente
La seccin de los conductores deber ser tal que su temperatura no
exceda la temperatura
ambiente de diseo (40 C) en ms de 30 C para condiciones normales
y 70 C para
condiciones de emergencia. [Arias Ronald, 2008]
El mtodo ms general para evaluar la capacidad trmica de los
conductores se basa en la
ecuacin de balance trmico siguiente: [CADAFE, Norma 158-88]
RCI QQQRI +=+2 (2.1)
Donde:
:CQ Energa trmica por conveccin [W/m]
:RQ Energa trmica por radiacin [W/m]
:IQ Energa trmica por insolacin [W/m]
R: Resistencia (c.a) efectiva a la temperatura del conductor
[/m]
I: Corriente eficaz. [A] 25.175.05.0 )(77,14 acFC TTDQ =
(2.2)
Donde:
D: Dimetro del conductor [m]
:F Densidad del aire [ ] 3/mkg:cT Temperatura promedio del
conductor [75 C]
:aT Temperatura ambiente [40 C]
-
21
=
44
1001008,17 acR
TTeDQ (2.3)
Donde:
:e Coeficiente de emisividad.
( )senDaQI =1100 (2.4) Donde:
: Altitud solar [90 Lat. Ecuatorial] a: Coeficiente de absorcin
[Valor promedio 0.5]
b) Capacidad trmica de los conductores en rgimen de
emergencia
Para el estudio de la capacidad trmica de los conductores en
rgimen de emergencia,
debe considerarse la energa trmica almacenada por el conductor y
reflejarla en la ecuacin
de balance trmico.
RCAI QQQQRI +=++2 (2.5)
Donde:
:AQ Energa trmica almacenada por el conductor [W/m]
13 )(10828,11 = TTTWCQ acA (2.6)
Donde:
C: Calor especfico del material conductor [0.217 cal/g. C].
W: Peso del conductor.
:cT Temperatura promedio del conductor [110C].
T: Tiempo de sobrecarga [2700 s].
-
22
c) Capacidad trmica de los conductores bajo corto circuito.
Bajo condiciones de cortocircuito, el conductor es expuesto a
niveles de corrientes
excesivas que pudieran fundir los conductores si circulan por
ste en un tiempo prolongado.
La corriente permisible bajo cortocircuito se calcula a partir
de la siguiente:
+
+=
23520
1
2351ln
i
im
TT
TT
AkI (2.7)
Donde:
A: rea efectiva del conductor [ ] 2mm
T: Duracin del corto circuito [0.5 s]
:mT Temperatura mxima que puede soportar el conductor [180C]
:iT Temperatura inicial del conductor [40C]
K: Constante de proporcionalidad [141,9 para el aluminio]
2.2.4 Aisladores para las barras colectoras
Los aisladores para las barras colectoras permiten fijar los
conductores a la estructura
proporcionando el nivel de aislamiento adecuado para la
construccin de la barra.
El tipo de aislador a utilizar depende de la barra colectora, el
nivel de aislamiento del
juego de barra, los esfuerzos mecnicos al que estarn sujetos,
las condiciones ambientales,
entre otros. En una subestacin, pueden encontrarse tres tipos de
aisladores:
1. Aisladores rgidos. Se utilizan para soportar barras rgidas
como tubos y soleras.
a) Tipo Alfiler. Esta formado por una serie de aisladores
concntricos formando
un conjunto que refuerza la distancia de flameo.
b) Tipo Columna. Esta formado por una sola pieza de mayor
longitud. Acta
como una columna mecnica.
-
23
2. Cadenas de aisladores. Se usan para soportar las barras de
cables. La seleccin se
realiza de acuerdo con los esfuerzos mecnicos a que se van a
sujetar.
3. Aisladores Especiales. Comprende todos aquellos aisladores de
diseo especial debido
a las condiciones de sitio donde se van a instalar.
2.2.5 Coordinacin de aislamiento
El ordenamiento de los niveles de aislamiento entre los
diferentes equipos que permite a
una onda de sobretensin descargarse a travs del elemento
adecuado sin producir arqueo ni
daos a equipos contiguos, es denominado coordinacin de
aislamiento.
Fig. 2.4 Coodinacin de aislamiento [Arias Ronald, 2008]
Donde:
Na: Nivel de aislamiento del sistema. Fijado por la tensin de
operacin.
Vc(FO): Tensin de cebado, del descargador, a frente de onda.
Vc(OP): Tensin de cebado, del descargador de sobretensin, a
plena onda.
Vc(FI): Tensin de cebado, del descargador de sobretensin, a
frecuencia industrial.
Para determinar el nivel de aislamiento, se procede a aplicar la
siguiente expresin [Arias
Ronald, 2008]:
4,1NpNa (2.8)
Donde:
-
24
Na: Nivel de aislamiento del sistema. Fijado por los
descargadores de sobretensin.
Np: Nivel de proteccin.
Tabla 2.1 Niveles para coordinacin de aislamiento [Arias Ronald,
2008]
Voltaje mximo del sistema (kVrms) Nivel de aislamiento a
frecuencia industrial (kVrms)
Nivel bsico de aislaminto BIL
(kV cresta)
15
34
95
110
26.2 50 150
36.2 70 200
48.3 95 250
72.5
95
140
250
350
121
140
185
230
350
450
550
145
230
275
325
450
550
650
169
230
275
325
550
650
750
242
275
325
360
395
480
650
750
825
900
975
1050
La coordinacin de aislamiento entre el descargador de
sobretensin y el dispositivo a
proteger, se conoce como margen de seguridad y la norma CADAFE
NS-P establece como
criterio para el diseo de subestaciones, un margen de seguridad
mayor o igual al 25%.
Las expresiones utilizadas para el clculo y verificacin de los
mrgenes de seguridad son
las siguientes:
100)(
)(15,1)( =FONp
FONpNaFOMS (2.9)
-
25
100)(
)()( =OPNp
OPNpNaOPMS (2.10)
100)(
)(83,0)( =FINp
FINpNaFOMS (2.11)
Donde:
MS(FO): Margen de seguridad para frente de onda [%].
MS(OP): Margen de seguridad para onda plena [%].
MS(FI): Margen de seguridad para frecuencia industrial [%].
Np(FO): Nivel de proteccin para frente de onda [kV].
Np(OP): Nivel de proteccin para onda plena [kV].
Np(FI): Nivel de proteccin para frecuencia industrial [kV].
2.2.6 Distancias dielctricas
En una subestacin elctrica la disposicin de los equipos en sitio
es de vital importancia
para mantener los niveles de seguridad requeridos para las
realizaciones de mantenimiento u
otra actividad necesaria dentro de las instalaciones.
Para asegurar una adecuada coordinacin de aislamiento, se deben
fijar distancias de
separacin entre las partes vivas de fases diferentes y parte
viva de fase y tierra utilizando el
aire como material dielctrico. (Ver tabla 2.2)
Las distancias mnimas de seguridad que permiten la circulacin de
personal y la
realizacin de maniobras dentro de la subestacin, pueden ser
calculadas utilizando las
siguientes expresiones: [Martn, J, 1987]
9,0+= masah dd (2.12)
25,2+= masav dd (2.13)
Donde:
:hd Distancia de seguridad horizontal en todas las zonas de
circulacin [m].
-
26
:vd Distancia de seguridad vertical en todas las zonas de
circulacin [m]. (No debe ser menor
a 3 m)
:masad Distancia mnima a masa.
Tabla 2.2 Distancias de seguridad para instalaciones exteriores.
Norma CADAFE 158-88.
Tensin Nominal (kV) 13,80
24,00 34,50 69 115 230 400 765
Nivel Bsico de Aislamiento (kV) 110 150 200 350 550 1050 1550
2100
Conductores
Rgidos y
terminales de
equipos
26
40 40
70
110
220
350
650
Distancia
mnima a
masa (cm)
Conductores
Flexibles
26+f
40+f
40+f
70+f
110+f
220+f
350+f
650+f
Conductores
Rgidos y
terminales de
equipos
40
100
100
150
200
300
400
1000
Distancia
mnima entre
fases (cm)
Conductores
Flexibles
60
100
100
150
250
400
600
1500
Conductores
Rgidos y
terminales de
equipos
3,00 3,00 3,00 4,00 4,00 5,00 6,00 12,00
Conductores
Flexibles
7,50 7,50 7,50 7,50 7,50 7,50 10,00 14,00
Altura
mnima a
tierra (m)
Conductores de
salida
7,50 7,50 7,50 10,00 10,00 12,00 16,00 27,00
Donde:
f: Flecha mxima. No debe ser mayor al 3% del vano. [cm]
-
27
2.3 SISTEMA DE DISTRIBUCIN
El sistema de distribucin corresponde a la etapa de suministro
de la energa elctrica a los
centros de carga en niveles de tensin normalizados por CADAFE de
34,5 kV y 13,8 kV como
distribucin primaria y 120/240 V, 208Y/120 V, 480Y/277 V,
12470Y/7200 V como
distribucin secundaria adecuadas para las diferentes zonas donde
se quiera llevar la energa.
Como las rutas empleadas para la distribucin primaria de la red
elctrica son zonas
urbanas, el rango de voltaje escogido para este fin, est
dimensionado para satisfacer
condiciones tcnicas como: niveles de aislamiento y distancias
mnimas de seguridad
horizontal y vertical de las lneas respecto a masa. Las
estructuras de apoyo empleadas para el
sistema de distribucin, son diseadas y dimensionadas para
soportar los esfuerzos
transversales y verticales producidos por el viento y los
conductores al mismo tiempo que,
garantizar distancias verticales entre fase- tierra y fase-
masa.
Los voltajes del sistema de distribucin secundaria son obtenidos
por medio de
transformadores de distribucin conectados a la red primaria. Los
abonados son conectados y
medidos en el lado de baja tensin del banco de transformacin y
el suministro es realizado
por acometida area o subterrnea.
2.4 CRITERIOS DE SELECCIN DE LOS DISPOSITIVOS DEL SISTEMA DE
DISTRIBUCIN.
El estudio que se realiza para el diseo adecuado de una lnea
elctrica comprende la
verificacin del conductor por capacidad trmica y cada de tensin,
clculos mecnicos de las
estructuras de soporte de los conductores y flechas mximas de
los vanos.
2.4.1 Seleccin del conductor por capacidad de corriente
Para la seleccin del conductor por capacidad trmica, se debe
calcular la demanda total
de la subestacin elctrica utilizando para ello, algn mtodo de
estimacin de carga que
puede variar de acuerdo a las caractersticas del proyecto y los
datos que se tienen del mismo.
El mtodo escogido para la estimacin de la carga es el Mtodo
Westinghouse cuyo
procedimiento es explicado en el Captulo III.
-
28
De acuerdo a la demanda exigida por la subestacin, la instalacin
debe ser capaz de
soportar los esfuerzos trmicos del conductor experimentados en
las condiciones de operacin
con sobrecarga. La ecuacin que nos permite determinar el valor
nominal de la corriente de la
lnea es la siguiente:
][3]max[
kVVnkVADIn = (2.14)
Donde:
Dmax: Demanda mxima [kVA]
Vn: Voltaje de lnea nominal [kV]
La seleccin del conductor se realiza dejando un factor de
sobrecarga para que el
conductor opere, en condiciones normales, en un rango del 50 80
% de su capacidad
nominal.
El criterio empleado para el dimensionamiento del conductor
satisface la siguiente
inecuacin:
InIcond 5.1 (2.15)
Donde:
Icond: Valor de corriente del conductor [A]
In: Corriente nominal del sistema [A]
2.4.2 Seleccin del conductor por cada de tensin
Una vez escogido el conductor por capacidad trmica, es
verificado por la cada de tensin
que sufre la lnea por la distancia que existe entre la fuente y
la carga. Por Norma CADAFE, la
cada de tensin mxima para un circuito radial no debe ser
superior al 1.5% [Carrero, J.
2008].
-
29
La ecuacin que permite realizar el estudio de cada de tensin de
la lnea est expresada
en funcin de la carga, la longitud de la lnea y las
caractersticas propias del conductor.
MekV D = [%] (2.16)
Donde:
V : Cada de tensin [%] Dk : Constante de distribucin
mkVA%
Me: Momento elctrico [kVA-m]
El valor de la constante de distribucin depende de las
caractersticas propias del
conductor y el nivel de tensin nominal de operacin de la
lnea.
210)()cos(
kVnsenXoRokD
+= (2.17)
Donde:
Ro : Resistencia por unidad de longitud [/m]
Xo : Reactancia por unidad de longitud [/m]
El momento elctrico, denominado tambin capacidad de distribucin,
es determinado a partir de la siguiente expresin:
LkVAMe = (2.18)
Donde:
L: Longitud de la lnea [m]
2.4.3 Clculos mecnicos
Dado que las condiciones climatolgicas a las que interactan
frecuentemente las lneas
areas no son constantes, es de vital importancia la verificacin
de las condiciones de carga a
-
30
las que son sometidos los conductores y los soportes. Los
factores climatolgicos tambin
deben ser considerados a la hora de la seleccin del conductor,
pues stos afectan las
caractersticas del conductor y son determinantes en la
confiabilidad del sistema.
Para el estudio del clculo mecnico de las redes areas se
consideran los esfuerzos del
viento y cambios de temperatura al que se ven afectados los
conductores y los esfuerzos del
viento, conductores, herrajes, entre otros al que se ven
sometidos los apoyos.
Las lneas de subtransmisin, alimentacin y de distribucin debern
tener resistencia
mecnica suficiente para soportar las cargas a que puedan estar
sometidas y que
razonablemente puedan preverse, con factores de seguridad que
podrn variar segn el lugar y
las condiciones en que estn instaladas.
Dentro de los aspectos considerados para el estudio mecnico de
las lneas areas que se
encuentran se encuentran:
Tensin mecnica mnima y mxima de los conductores como
consecuencia de condiciones climticas severas.
Vibraciones de los conductores debido a la accin del viento.
Esfuerzos mecnicos debido a los conductores, herrajes, entre otros
a los que son
sometidos los apoyos como son:
o Esfuerzos transversales: Debida al viento soplando
horizontalmente y en ngulo recto a la direccin de la lnea, actuando
sobre toda la superficie plana o
cilndrica de los postes y conductores.
o Esfuerzos verticales: Debida al peso propio del elemento de
soporte ms el de todos los conductores, cable a tierra, crucetas,
aisladores y equipos que
soporten, tendiendo en cuenta los efectos que resultan de la
diferencia de nivel
entre los postes o estructuras.
o Esfuerzos longitudinales: Si los vanos son muy diferentes a
uno y otro lado del apoyo, se considerarn esfuerzos longitudinales
en la direccin de la
construccin ms fuerte, vano mayor o nivel ms alto sobre
poste.
o Cambio de direccin de la lnea: Carga debida a la tensin de los
conductores, cables de tierra y viento en postes donde la lnea
cambia de direccin.
-
31
a.- Clculo mecnico del conductor
Efecto del viento sobre el conductor
El peso del conductor se ve afectado por la accin del viento en
toda la extensin de la
lnea. La expresin utilizada para el clculo de la presin del
viento sobre el conductor es la
frmula de Buck, la cual tiene su origen empricamente.
La frmula de Buck para superficies cilndricas viene dada por:
[Stephens R., Apuntes de
Clase]
200787.0 VKv = (2.19)
Donde:
=v Presin del Viento en 2/mKg=V Velocidad del Viento hKm /=K
Factor de correccin, para superficies cilindras, K = 0.6
Los valores de diseo recomendados para las cargas climticas a
usar sern las siguientes:
[Norma CADAFE N 55-87]
Mxima velocidad de rfaga de viento igual a 120 km/h.
Los valores de temperatura ambiente, en el rea de ubicacin de la
lnea, sern los obtenidos del anlisis de informacin de las
estaciones existentes en el pas, de las
cuales se podrn obtener la temperatura mxima, promedio y
mnima.
De acuerdo a la altitud sobre el nivel del mar, CADAFE fija la
temperatura para las
diferentes zonas del pas segn se indica en la siguiente tabla.
[Carrero, J., 2008]
-
32
Tabla 2.3 Temperatura para las diferentes zonas del pas de
acuerdo a su altitud snm.
Temperatura ambiente en C Altura sobre el nivel del mar (m).
Mxima Mnima
0-500 60 10
501-1000 50 5
1001-2000 35 0
2001-3000 30 -5
3001 en adelante 25 -10
La fuerza resultante del conductor, es calculado a partir de la
fuerza horizontal ejercida por
el viento y el peso propio del conductor, ver figura 2.5:
Fig. 2.5 Fuerza Resultante del Viento sobre el Conductor
La fuerza horizontal por unidad de longitud ejercida sobre el
conductor viene dada por:
1000dcvfvc = (2.20)
Donde:
=fvc Fuerza horizontal por viento, mKg /=dc Dimetro del
conductor, en mm
El peso resultante es calculado a partir de la siguiente
expresin:
22 WcfvcWR += (2.21)
Donde:
-
33
Wc : Peso del conductor
RW : Peso resultante
Determinacin de las condiciones de diseo de la lnea area.
Limite de seguridad a la ruptura (lmite R)
Este estudio establece como tensin mxima del conductor el 50 %
de la tensin de
ruptura, con la finalidad de que el conductor no sufra
alargamientos excesivos que pueda
afectar las condiciones de diseo de la lnea y evitar una
interrupcin del sistema por exceso
de tensin mecnica.
Las condiciones donde se puede presentar la mxima tensin son las
siguientes:
a) Presin del viento a 120 km/h.
b) Temperatura mnima de la zona.
c) Mdulo de elasticidad final.
d) Tensin mecnica 50% de la tensin de ruptura. [Ballester, L,
2008].
Lmite de seguridad a las vibraciones (lmite V)
Para el anlisis de este lmite, se verifica que la tensin mecnica
del conductor sea menor
o igual al 25% de la tensin de ruptura para evitar la fatiga del
conductor debido a rpidas
vibraciones verticales producidas por la accin del viento. Las
condiciones consideradas para
el estudio de este lmite son:
e) Presin del viento despreciable.
f) Temperatura mnima de la zona.
g) Mdulo de elasticidad inicial.
h) Tensin mecnica 25% de la tensin de ruptura [Ballester, L,
2008].
-
34
Lmite o condicin Diaria (lmite D)
Se verifica que la tensin mecnica del conductor sea menor o
igual al 21% de la tensin
de ruptura considerando para ello, las condiciones a las que se
ven sometidos los conductores
a diario son las siguientes:
a) Presin del viento despreciable.
b) Temperatura media de la zona.
c) Mdulo de elasticidad inicial.
d) Tensin mecnica 21% de la tensin de ruptura [Ballester, L,
2008].
Flecha Mxima
Este estudio permite verificar que el conductor cumple con las
distancias mnimas de
separacin entre fase y tierra una vez que el conductor ha
experimentado dilatacin por
aumento de la temperatura, considerando para ello las siguientes
condiciones:
a) Presin del viento despreciable.
b) Temperatura mxima de la zona.
c) Mdulo de elasticidad final [Ballester, L, 2008].
Ecuacin de cambio de estado
Como se dijo anteriormente, los conductores se ven afectados por
las variaciones de la
temperatura experimentando dilatacin o contraccin al aumentar o
disminuir la temperatura
respectivamente. Para poder verificar los lmites de seguridad
anteriores es necesario modelar
la tensin mecnica de los conductores para los diferentes rangos
de temperatura.
Uno de los mtodos utilizados para modelar las variaciones del
conductor consiste en el
estudio matemtico de la lnea por la ecuacin de una catenaria.
Sin embargo, en esta ecuacin
no se encuentra reflejada las variaciones de temperatura. Luego,
desde el punto de vista fsico
se logra encontrar experimentalmente una expresin que introduce
las variables de
temperatura en las variaciones de la longitud de conductor.
-
35
=
2
1
1
2
2
23
24 tw
twal (2.22)
Eslttll
+= )()( 1212 (2.23) Donde:
2t : Tensin mxima de ruptura resultante s : Seccin del conductor
E : Modulo de elasticidad final a : Vano
1w : Peso del conductor en el lmite del primer estado
1t : Tensin mxima de ruptura para el primer estado : Coeficiente
de dilatacin lineal
2 : Temperatura del segundo estado 1 : Temperatura del primer
estado 2w : Peso del conductor en el lmite del segundo estado
Igualando ambas expresiones, considerando al y reordenando los
trminos, surge una nueva ecuacin denominada Ecuacin de Cambio de
Estado que permite determinar la
tensin mecnica de los conductores para diferentes valores de
temperatura y as, verificar que
cumpla con las condiciones de diseo establecidas
anteriormente.
024
)(24
22
22
211221
21
23
2 =
++ waEsttEs
twaEst (2.24)
El vano usado para el clculo de la ecuacin de cambio de estado,
se obtuvo luego de
aplicar la expresin del vano clculo o vano promedio:
n
nclculo aaa
aaaa
.................
21
332
31
++++= (2.25)
-
36
Donde:
clculoa : Vano promedio.
a : Vanos.
Calculo de la flecha mxima para cada uno de los estados
Una vez calculada la tensin mecnica del conductor por medio de
la ecuacin de cambio
de estado, se procede a calcular la flecha mxima que experimenta
la lnea utilizando para ello
la siguiente expresin:
2
2
8max
taWcf
= (2.26)
b.- Clculo mecnico de los apoyos sencillos
Clculo de la fuerza resistente viento-poste
Utilizando para el estudio un poste tubular de acero, se
encuentra el siguiente grupo de
ecuaciones que nos permite determinar la fuerza del viento sobre
el poste. (Ver figura 2.6)
Fig. 2.6 Fuerza del viento sobre el poste
-
37
++= aLLL MF totalvpRES 321)( (2.27)
aLLL
LLLLDLLLDLD
F
v
vpRES ++
+++
++=
321
32133
2122
211
)(
222100
(2.28)
Donde:
)(vpRESF : Fuerza resultante del viento sobre el poste.
Clculo de la fuerza resistente del viento contra el
conductor
aLLLMvcF vcRES ++= 321)( (2.29)
medio
N
j cjc
v
vcRES aaLLL
Hd
F ++
= =321
1000 1)(
(2.30)
Donde:
)(vcRESF : Fuerza resultante del viento sobre el conductor.
cjH : Altura del conductor [m]
cd : Dimetro del conductor [mm]
Clculo de la fuerza resistente por carga por ngulo
aLLLMFRES ++= 321)(
(2.31)
++= =
2321
21
)(
senaLLL
HcjtF
N
jRES (2.32)
-
38
Donde:
)(RESF : Fuerza resultante por efecto del ngulo.
cjH : Altura del conductor [m]
t : Tensin mecnica del conductor [kg]
: ngulo de la lnea.
Clculo de la retenida del poste
Si la suma de todas las fuerzas transversales sobre el poste es
superior al esfuerzo en
cumbre del mismo, el apoyo debe ser reforzado por una
retenida.
)(vpRESF + + EC (2.33) )(vcRESF )(RESF
Para la seleccin del calibre de la guaya, se calcula la fuerza
de la guaya, de acuerdo a la
figura 2.7, por medio de las siguientes expresiones:
=V
EC
HHFresFH (2.34)
45senFHFGUAYA = (2.35)
Fig. 2.7 Fuerza de la Guaya [Carrero, J., 2008]
-
39
Truptura (GUAYA) > 2.5x (2.36) GUAYAF
Luego se procede a buscar en la tabla de las guayas y se escoge
aquella que cumple con la
condicin anterior.
Tabla 2.4 Tensin de Ruptura de las Guayas Comerciales
Truptura de Guayas [kg]
Dimetro [inch] Acero Normal Acero Siemens-Martin
1/4 1375 3020
3/8 2750 4900
1/2 5500 6650
Clculos de la fuerzas Verticales sobre el poste
Este estudio permite la verificacin de los apoyos por carga
vertical o pandeo. Permite
calcular la fuerza vertical mxima que el apoyo es capaz de
soportar.
Por medio de la frmula de Euler, se procede a calcular la fuerza
vertical admisible del
apoyo y verificar que ste cumpla con las condiciones mnimas en
el diseo de la lnea area.
2
2
100 LFSEIk
F eqvadm = (2.37)
( ) ( ) ( )[ ]321
43
43
42
42
41
41
64 LLLdDdDdD
Ieq ++++=
(2.38)
Donde:
:eqI Momento de inercia equivalente [ ]. 4cm
:E Modulo de elasticidad del Acero.
:Fs Factor de Seguridad.
:iD Dimetro externo de la seccin i del poste.
-
40
:id Dimetro interno de la seccin i del poste.
:L Longitud del poste (por encima del suelo).
Luego de calcular la fuerza admisible del poste, se procede a
verificar si el apoyo escogido
soporta, sin deformarse, el conjunto de fuerzas verticales
asociadas a l como son el peso
propio del poste, el peso de los conductores, el peso de los
herrajes, el peso de los equipos, el
peso del liniero.
+++= WherrajesesWconductorWlinieroWpostesFverticale (2.39)
medioatorpesoconducsconductoreesWconductor =# (2.40) Donde:
Wposte : Peso del poste dado por el fabricante
Wliniero : Peso promedio del liniero de 100 kg dado por
norma.
esWconductor : Peso de los conductores sobre el poste.
Se dice que el poste cumple con requerimientos mnimos de diseo
de la lnea si se
satisface la siguiente inecuacin:
FvmxsFverticale (2.41)
Esfuerzos sobre las secciones del poste
][][
3cmWcmkgM
adm=
(2.42)
( ) ( ) = = 3 ij jresi aLFM
(2.43)
i
iii D
dDW44
*32
= (2.44)
-
41
Donde:
adm : Esfuerzo admisible del poste [kg/ ]. 2cm:iM Momento de
inercia en la seccin i del poste [kg-cm].
:iW Mdulo de la seccin i del poste [ ]. 3cm
El esfuerzo sobre cada seccin del poste puede ser calculado a
partir de la siguiente
expresin:
i
ii w
M= (2.45)
El apoyo soporta, sin deformarse, la condicin de esfuerzo
vertical si:
adm > i (2.46)
2.4.4 Clculo de las Fundaciones
Fig. 2.8 Fundacin del poste
+= hLECM pV 32 (2.47)
-
42
+= 32 hBcAFvM nteestabiliza (2.48) Donde:
:VM Momento de Volcamiento.
:nteestabilizaM Momento estabilizante.
EC: Esfuerzo en cumbre del poste.
Lp: Altura del poste
h: longitud de empotramiento
A: Lado paralelo al esfuerzo de volcamiento
B: Lado perpendicular al esfuerzo de volcamiento
c: Factor de empuje del terreno [kg/ ] 3cm
Fv: Fuerzas verticales
Para el clculo de las fuerzas verticales totales ejercidas sobre
el poste, debe ser tambin
considerado el efecto de las fundaciones. Para ello se procede a
trabajar con el siguiente grupo
de ecuaciones:
+= cvertv WFF (2.49) concretoc VW *= (2.50)
posteexcvconcreto VVV += (2.51) hBAVexcv = (2.52)
hDVposte **42
1= (2.53)
Donde:
: VF Sumatoria de las fuerzas verticales sobre el poste o apoyo.
:CW Peso del concreto.
:concretoV Volumen de la fundacin.
-
43
:exvV Volumen excavado para construccin de la fundacin.
:posteteV Volumen que ocupa el poste dentro de la fundacin.
3/2000 mkg= . Se considera que la fundacin del poste cumple con
las condiciones mnimas establecidas
por Norma de construccin de la lnea, siempre que el factor de
estabilidad ( ) sea mayor o
igual a 1,2 para postes de alineacin y mayor o igual a 1,5 para
postes terminales, ngulo, de
derivacin entre otros.
ek
v
ee M
Mk = (2.54)
Luego se debe verificar que el esfuerzo del concreto debe ser
menor al esfuerzo admisible
para la compresin del concreto, as:
-
44
El momento de inercia de cada poste individual, debe ser
trasladado al eje neutro de la
estructura como se explica a continuacin:
1. Se calcula el momento de inercia de cada poste trasladado al
eje neutro por medio de
las siguientes expresiones:
2
2
++= extTCIRCposteTRAS DLAII (2.57)
( )( )44 264
eDDI extextposte = (2.58)
Donde:
:posteI Momento de inercia de la seccin i del poste [ ]. 4cm
:CIRCA rea circular del poste [ ]. 2cm
:TL Longitud del travesao [cm].
:extD Dimetro exterior del poste [cm].
:e Espesor del poste [cm].
( )2int24 DDA extCIRC = (2.59) Donde:
:intD Dimetro interior [cm].
2. El prximo paso consiste en calcular el momento de inercia de
los travesaos, esta
operacin es realizada por medio de la siguiente ecuacin:
12
3T
TLeI = (2.60)
Donde:
-
45
:TI Momento de inercia del travesao [ ]. 4cm
:e Espesor del travesao [cm].
:TL Longitud del travesao [cm].
3. Una vez calculado el momento de inercia del travesao, se
procede referir este valor al
eje neutro de la estructura y as obtener el momento de inercia
total y el esfuerzo en
cumbre de la estructura auto-soportante.
TTRASCON III += 2 (2.61)
( )L
HNLIHNII TRASCONSECCION
+= (2.62)
=
i
iSECCIONTOTAL L
LII (2.63)
aextT
TOTAL
LDLISEC
+=
2
(2.64)
Donde:
:CONI Momento de inercia total referido al eje neutro [ ].
4cm
:SECCIONI Momento de inercia de una seccin de longitud L [ ].
4cm
:TOTALI Momento de inercia total del apoyo [ ]. 4cm
:N Nmero de travesao [cm].
:H Altura del travesao [cm].
:L Longitud de la seccin [cm].
:S Esfuerzo mximo admisible de acero [2814.81 ] 2/ cmkg
10321 ++= LLLLa [cm].
-
46
Carga Transversal Total Resultante
La carga transversal total que acta sobre la estructura es
resultado de la carga debida al
tiro de los conductores y por la carga debida a la accin del
viento.
''' RRR TTT += (2.65)
=2
2' senTTR (2.66)
=2
cos'' enafT medioVR (2.67)
Donde:
:'RT Carga resultante debida al tiro de los conductores
[kg].
:''RT Carga resultante debida al viento [kg].
:T Carga debida al tiro de los conductores [kg].
: ngulo de cambio de direccin de la lnea []. :Vf Carga unitaria
debida al viento [kg/m].
Carga Vertical
Se verifica que la carga vertical sobre la estructura
auto-soportante sea inferior a la carga
crtica al pandeo:
(2.68) 222
10=
LFSEIkF TOTALvadm
Donde:
:vadmF Carga crtica al pandeo [kg].
:E Mdulo de elasticidad [ ]. 2/mmkg
58,9=L [m]. 4/1=k .
-
47
5,2=FS .
Clculo de las Fundaciones
El procedimiento utilizado para el clculo de las fundaciones se
realiza de manera similar
que para el caso de apoyos sencillos.
2.5 SISTEMA DE PROTECCIN
Dado que ningn sistema creado es perfecto, la red de generacin,
transmisin y
distribucin de la energa elctrica no es inmune a fallas y
desperfectos de equipos sin
embargo, las tcnicas de proteccin empleadas han evolucionado con
el transcurso del tiempo
con la finalidad de aislar la zona donde aparece la falla y
disminuir en gran medida
consecuencias tan nefastas como sacar de servicio al generador y
paralizar la industria
energtica.
El funcionamiento anormal de la red o sistema que interrumpe el
flujo normal de corriente
se denomina falla y se puede presentar en varios tipos:
Falla Trifsica Falla Bifsica Falla Bifsica a tierra Falla
Monofsica.
Segn el grado de las fallas, stas pueden ser temporales o
transitorias y permanentes, las
causas que las producen son varias y se pueden destacar las
siguientes:
Sobretensiones por descargas atmosfricas. Fallas por aislamiento
en los equipos y en los cables de conexin. Mal dimensionamiento de
los equipos de proteccin a utilizar en las instalaciones que
forman parte de la red de energa elctrica.
Falta de mantenimiento de los equipos y sistema en general.
Operacin o maniobras incorrectas por falta de entrenamiento del
personal.
-
48
2.5.1 Principales elementos de proteccin del sistema de
distribucin
Dentro de los principales elementos utilizados para el sistema
de proteccin de la red de
distribucin tenemos:
Conexin a tierra.
Se debe proveer de dos (2) conexiones para la puesta a tierra de
los transformadores, una
para el devanado de baja tensin y otra para el tanque. Los bujes
o niples de puesta a tierra
deben ser de 19,5 mm (3/4) de dimetro y su rosca de 12,7 mm
(1/2) de dimetro. Se debe
suministrar de dos (2) conectores tipo ojal u ojo, que permitan
alojar un conector de cobre de 7
mm de dimetro. [Carrero Gutirrez, 2008].
Cortacorrientes Portafusibles.
Son los dispositivos ms sencillos utilizados para proteger a los
transformadores contra
cortocircuito o sobrecargas. Estn diseados para soportar hasta
600 A y de 250-600V en baja
tensin. En alta tensin, se encuentran hasta de 400 A y de 10-138
kV, con potencias de 0,1 a
20 MVA.
El principio de operacin del fusible est constituido por un
elemento sensible a la
corriente que se funde cuando circula por l una corriente
peligrosa durante un tiempo
determinado. Para seleccionar adecuadamente un fusible como
proteccin a un transformador,
se debe considerar los siguientes criterios:
Los fusibles deben ser capaces de soportar 1.5 veces la
corriente nominal sin quemarse, permitiendo sobrecargas
controladas.
Deben ser capaces de soportar, sin quemarse, la corriente de
magnetizacin (de 8 a 10 veces la corriente nominal) durante por lo
menos 0.1 s.
Los fusibles deben quemarse para una corriente igual o superior
a seis (6) veces la corriente nominal del transformador.
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49
Fig. 2.9 Tipos de Cortacorrientes Portafusibles [Yam, F.
(S/A)]
Reconectadores.
Las fallas que interrumpen el buen funcionamiento de un sistema
de distribucin areo
generalmente son de carcter transitoria ocasionada tpicamente
por ramas de rboles que
tocan las lneas energizadas, descargas atmosfricas, pequeos
animales que cortocircuitan
una lnea a tierra, etc. A pesar que estas fallas son temporales,
accionan interruptores y
fusibles lo que trae demoras en la reposicin del servicio, es
por esto que nace el reconectador
como dispositivo de proteccin que desconecte rpidamente antes
que acten los elementos
antes mencionados.
Los reconectadores pueden ser programados para realizar hasta
cuatro (4) aperturas del
interruptor y tres (3) cierres o reconexiones. Si ocurre una
falla aguas debajo de la instalacin
del reconectador, segn la secuencia de operacin ste opera por
primera vez y permanece
abierto durante un cierto tiempo y luego reconecta la lnea que
present la falla. Si la falla ha
desaparecido, se restablece el servicio de lo contrario, el
reconectador opera por segunda vez y
despus de un tiempo cierra sus contactos. Luego del segundo
tiempo de reconexin, si la falla
persiste abre por tercera vez y transcurrido el tiempo de
apertura, se realiza la ltima
reconexin. Si an la falla persiste, el dispositivo abre
definitivamente.
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50
Fig. 2.10 Tipos de Reconectadotes. a) Reconectadores monofsicos.
b) Reconectador trifsico. [Yam, F. (S/A)]
Seccionalizadores
El dispositivo de proteccin que asla automticamente las fallas
en
