Cálculos Justificativos Sistema de Utilización Media Tensión

3.0

3.1

CÁLCULOS JUSTIFICATIVOS

GENERALIDADES

El presente capítulo se refiere a los cálculos y criterios básicos que han servido para formular las especificaciones y diseños del Sistema de Utilización en Media Tensión 22,9 kV, realizados en base a las disposiciones del Código Nacional de Electricidad, Normas Vigentes de la DGE/MEM y las Normas del CEI relacionadas con este fin.

3.2

NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO Y DISTANCIAS ELECTRICAS

3.2.1

Nivel Básico de Aislamiento.

.

De acuerdo al Código Nacional de Electricidad y las Normas CEI, el nivel de aislamiento para la tensión nominal de 22,9 kV (Tensión Máxima de 24 kV) que deben deben soportar los equipos en la zona del proyecto es de: a) Tensión que debe soportar con onda de frente escarpado 1/50 s: 150 KV (Pico) b) Tensión que debe soportar a frecuencia industrial corta duración: 50 KV (RMS)

3.3

CALCULO DEL CABLE SUBTERRANEO

La red es del tipo radial, subterráneo construido con cable de energía tipo N2XSY 18/30kV, a una tensión t ensión entre líneas de 22,9 kV.

3.3.1

Bases de Cálculo       

3.3.2

Los diseños y cálculos observan las Normas del Código Nacional de Electricidad Suministro. El sistema adoptado es el subterráneo, trifásico, de tres conductores, dispuestos horizontalmente protegidos con tubería de PVC-P de 6"Ø en una configuración unipolar, simple terna. La tensión nominal de servicio y de diseño es de 22,9 kV. Con frecuencia de 60 Hz y un factor de potencia de 0,90 inductivo La temperatura de cálculo para la resistencia eléctrica del cable será de 20°C. La Máxima Demanda del proyecto es de 450 kW. La potencia instalada del transformador es de 630 KVA

Parámetros de la Línea Subterránea

Tipo Tensión de servicio Sección (mm2.) Intensidad admisible (A) Resistencia efectiva a la temperatura máxima de operación (Ω/Km) Reactancia inductiva (Ω/Km)

3.3.3

: : : : : :

N2XSY,18/30kV 22,9 kV 50 203 (configuración 0,3487 0,237

Condiciones normales de instalación de cables directamente enterados en ducto de concreto

Las siguientes condiciones de instalación son consideradas como normales: LUIS MOREYRA VIZCARRA, Ingeniero Mecánico Electricista CIP N° 124694

plana)

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a) b) c) d) e) f) g)

Resistividad térmica del suelo Profundidad de tendido Temperatura ambiente Temperatura del terreno Temperatura máxima del conductor cantidad de cables en la zanja separación entre cables

: : : : : : :

150 ºK-cm/W 1.20 m 30 °C 20 °C 90 °C 3 Entubado (formación plana)

Para condiciones de instalación distintas a las normales, se aplicarán los factores de corrección indicados:

FACTORES DE CORRECCION RELATIVOS A LA TEMPERATURA DEL SUELO Máxima Temp. Admisible del Conductor °C 50

TEMPERATURA DEL SUELO EN °C 5 1.14

10 1.11

15 1.07

20 1.04

25 1.00 1.00

30 0.96

35 0.92

40 0.88

45 0.83

250 0,81

300 0,75

FACTORES DE CORRECCION RELATIVOS A LA RESISTIVIDAD TERMICA DEL SUELO Sección del conductor (mm2) 25 a 240

RESISTIVIDAD TERMICA DEL SUELO (°C-cm/W) 50 1,47

70 1,33

80 1,26

100 1,17

120 1,10

150 1,00

200 0,89

FACTORES DE CORRECCION RELATIVOS A LA PROFUNDIDAD DE INSTALACION Sección del conductor (mm2 25 a 240

PROFUNDIDAD DE INSTALACION (m) 70 1.03

100 1

120 0.98

150 0.96

200 0.94

Fuente: Guía para elección de cables de alta tensión UNE 20-435-90, parte 2 y/o Norma de LUZ del SUR (CD-7-013). ( CD-7-013).

3.3.4

Capacidad de corriente en condiciones normales de operación

La capacidad de corriente indicada en el cuadro siguiente considera:    

Está referida a las condiciones normales de instalación dadas anteriormente. La temperatura máxima sobre el conductor en condiciones normales de operación es de 90°C. Considera tres cables unipolares, Entubado (formación unipolar) en forma horizontal en un mismo plano y en formación unipolar dentro de una tubería de 4"Ø. Clase de servicio con un factor de carga no mayor de 0,75

Capacidad de corriente nominal del cable de energía, tipo N2XSY –18/30 KV. Entubado (formación horizontal)









Fuente: fabricante INDECO En el cuadro siguiente se representan los valores de resistencia, reactancia inductiva y capacidad de los cables unipolares N2XSY (tres dispuestos en formación unipolar) y agrupados en forma horizontal. Sección (mm2)

Resistencia a 20 ºC (R20) (Ohmios/km) 0,387

50 R 20 Re X1 C

Resistencia efectiva (Re) (Ohmios/km) 0,4937

Reactancia inductiva (Xl) (Ohmios/km) 0,237

C (uf/km)

K 3Φ (V/A x km)

0.1805

0.5411

= Resistencia a la corriente continua a 20 °C = Resistencia Resistencia efectiva efectiva a la temperatura máxima de operación a 90ºC = Reactancia inductiva = Capacidad de servicio

Para el dimensionamiento del alimentador, consideramos la potencia total instalada de la subestación, correspondiente a 630 KVA. Condiciones: a) Potencia de diseño (kVA) b) Tensión nominal (kV) c) Temperatura del suelo a la profundidad de tendido d) Longitud del cable subterráneo (L s) e) Cosø (factor de potencia)

: : : : :

630 KVA 22,9 kV 25 ºC 650m 0,90

3.3.5 Cálculo de la corriente corriente nominal del cable de energía, tipo N2XSY (Corriente nominal del sistema eléctrico) De la fórmula siguiente, obtenemos la intensidad de corriente nominal a transmitir, en condiciones c ondiciones normales de operación indicados anteriormente:

S

Inc = --------------3xV S V Inc

: : :

Potencia del transformador, en kVA Tensión nominal, en kV Corriente nominal en el cable, en A

Reemplazando datos: 630 Inc = -------------3 x 22,9

=

15,90 A

, siendo:









Por lo tanto, el cable de energía 3 –1x50mm2 N2XSY –18/30 kV, 203 A, cumple con las condiciones de corriente nominal.

3.3.6

Cálculo de la capacidad de conducción del cable de energía tipo N2XSY: 3-1x50mm 2 18/30 kV

La determinación de la capacidad de conducción de corriente, en cables de energía, es un problema de transferencia de calor donde ésta es afectada por los siguientes factores de corrección: Factores de corrección por condiciones de instalación:

factor de corrección



Factor de corrección relativo a la profundidad de tendido

fc1:

1,20 m

0,98



Factor de corrección relativo a la resistividad térmica Del suelo

fc2:

150 °Kxcm/W

1,00



Factor de corrección diferente temperatura del suelo

fc3:

40 ºC

0,88

fct:

0,8624

Factor de corrección total = fc1 x fc2 x fc3 Factor de corrección total

Para las condiciones indicadas, la corriente admisible corregida (corriente de diseño) se obtiene de la fórmula siguiente: Id

=

Intensidad admisible de corriente nominal x fct

SECCION (mm2) 50

CORRIENTE NOMINAL (A) 203

CORRIENTE CORREGIDA (A) 175,07

La corriente admisible para el cable seleccionado es mayor que la corriente a transmitir respectivamente: Ic = 175,07 A (50 mm 2)

>

15,90 A

Aplicando a las corrientes del primario: corriente nominal a transmitir Inc’ = Inc / fct TENSI N (KV)

CORRIENTE PRIMARIO (A)

22,9

15,90

CORRIENTE DE CONDUCCION DEL CABLE (A) 175,07

Conclusión: El cable de energía de 3 – 1x 50 mm2 N2XSY – 18/30 kV seleccionado, cumple con las condiciones por efecto de la conducción de corriente. El cable 3-1x50mm2, Unipolar, con capacidad nominal nominal de 203 A, transportará la corriente actual actual y la posible futura.









Se determina con la siguiente expresión: V 

3 LI 1000

r cos   Xsen 

L, longitud del circuito r, resistencia por unidad de longitud x, reactancia por unidad de longitud Sen Φ Cos Φ

: : : : :

0,65 km 0,3487 Ω/km 0,237 Ω/km 0.44 0,90

Reemplazando valores: Línea subterránea V 

3 x650 65 0 x15,90 1000

(0,3487 x0,90  0,237 23 7x0,44)  7,48

Los resultados de los cálculos, para el circuito alimentador del Sistema de Utilización en 22,9 kV se muestran en la siguiente tabla, mostrando el diagrama unifilar de cargas. Diagrama Unifilar 1. (P.M.I.)

2. S.E 01

650 m. (630 kVA) PROYECTADO O------------------------------------------------------------------------------------------------------------O LINEA SUBTERRANEA

CUADRO DE CAIDA DE TENSION (22,9 kV) PUNTOS

P (KVA)

L (Km)

F.C.T.

S (mm2)

ΔV

ΣΔV (%)

630

0,65

0,713

50

7,48

0,033

1 2

De los cuadros anteriores se deduce que las caídas de tensión resultantes; confirmando el uso del cable N2XSY de 1x50 mm 2, 18/30 kV.

3.3.8

Cálculos por corrientes de cortocircuito

Condiciones:

0,033 %

es menor de 5% requerido,









Reemplazando valores en la fórmula:  =

 √  

Icc = 8,08 8,08 kA

3.3.9

Corriente de cortocircuito admitido por el cable

Bajo condiciones de cortocircuito se incrementa con rapidez la temperatura de los elementos metálicos de los cables de energía (conductor, pantalla y cubierta metálica) Cuando se trata de analizar el comportamiento en condiciones de cortocircuito con parámetros perfectamente definidos, se utiliza la siguiente expresión:

Ikm

= 0, 14356 x S t

Donde:

Ikm S t

= Corriente de cortocircuito (media eficaz) térmicamente admisible por el cable (kA) = Sección nominal del cable (mm 2) = Duración del cortocircuito (s); 0,02 s (dato del sistema)

Luego:

Ikm =

0,14356 x S ---------------- = t

0,14356 x 50 ------------------- = 50,76 kA 0,02

Temperatura de cortocircuito Temperatura máxima de operación

= =

250 ºC 90 ºC

El tiempo no será mayor a 5 seg. en ningún caso. Con esto se verifica que:

Ikm > Icc

El cable de energía tipo N2XSY de 50 mm 2 18/30 kV seleccionado, si cumple las condiciones 3.3.5, 3.3.6, 3.3.7, 3.3.8 y 3.3.9; por lo que se concluye que soportará la corriente a transmitir, caída de tensión y la corriente de cortocircuito permisibles por el CNE.











3.4

SELECCIÓN DEL SECCIONADOR DE POTENCIA

Es necesario conocer la corriente de cortocircuito y la corriente corriente de choque, que calculamos mediante la siguiente fórmula:

a)

Corriente de Cortocircuito Permanente en Interruptor

a.1) Cálculo de la corriente de cortocircuito en el Interruptor: V Icc = ------------3 x Ztot Donde: Icc Ztot

: :

Corriente de cortocircuito permanente en barras de MT (kA) Impedancia total de la red de media tensión y cable alimentador ( )

a.2) Cálculo de la Impedancia de la red primaria primaria y el el cable alimentador V2 Xred

=

-----------------

22,92 =

Pcc

----------------

=

320

1,64 

a.3) Cálculo de la impedancia del cable alimentador Parámetros del cable seleccionado: R cab y Xcab en /Km 18/30 kV Rcab

=

0,3487 /Km

Xcab

=

0,237 /Km, y

L

=

0,65 Km; Longitud del cable alimentador

Para obtener la impedancia total se utiliza la siguiente fórmula:









Ich = u x  2 x Icc. Para

Rt = 0,24 Xt

u = 1.80

1,4142 x 7,31 7,31 Ich = 1,80 x 1,4142

= 18,61 kA

Luego:

Pcc = √3 x 22,9 x 18,61 = 738,08 MVA El Seccionador de potencia en vacío seleccionado, deberá tener una capacidad de ruptura mínima de 740 MVA

Icc simétrico Ich

= = = =

V In

7, 31 kA 18,61 kA 22,9 kV 15,90 A

De acuerdo con los catálogos de los fabricantes seleccionamos el Seccionador de potencia, que debe cumplir con las siguientes condiciones:

Pcc Icc simétrico Ich

= = = = =

V In

1000 MVA 20 kA 25 kA 24 kV 630 A

3.5

SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROTECCIÓN

a.

Protección del Transformador de 630 KVA

La protección requerida en el sistema de utilización, para una Demanda Máxima de 630 kVA, utilizando fusibles limitadores de corriente. Calculamos el amperaje mediante la siguiente fórmula:

I

I









Subestación Proyectada S.E. 01 – PARA PARA EL EDIFICIO UNIVERSIDAD: 630kVA Fusibles 40 A









3.6

DIMENSIONADO DE LA VENTILACION DE LA SUBESTACION INTRODUCCION Ubicación La Sub Estación S.E. 01, se halla ubicado en el tercer sótano del edificio (cota -9.225m) de la nueva sede del Edificio de la Universidad Le Cordon Bleu. Descripción Para evitar calentamientos excesivos, perjudiciales para un correcto funcionamiento, es necesario disipar la energía térmica producida por el transformador durante su funcionamiento. Una correcta ventilación se consigue con un orificio de entrada de aire fresco y limpio en la parte inferior del local y de un orificio de salida de aire situado en la parte superior, en la pared opuesta del local y a una altura H del orificio de entrada. La edificación cuenta con ductos verticales para ventilación natural del nivel tercer sótano. Sin embargo se ha adicionado un sistema de ventilación forzada, extrayendo el aire caliente e inyectando aire frio. NORMAS Y REGLAMENTOS.Las normas para la realización del presente proyecto se basan en las siguientes normas: NFPA-70 National Electric Code Reglamento Nacional de Edificaciones Código Nacional de Electricidad Adicionalmente se tomara en consideración la Normatividad Nacional Vigente como parámetro básico. Requerimientos de Ventilación.Considerando que la Ventilación mínima para la Sub Estación S.E. 01 es de 5 renovaciones por hora de acuerdo al reglamento nacional de edificaciones, se ha calculado la cantidad de aire requerido para ventilar estos ambientes teniendo en cuenta solo el área involucrada. i nvolucrada. Descripción del Sistema.-









Sistema de Ventilación.Ventilador Centrífugo.Ventilador centrífugo totalmente equipado en fábrica, listo para funcionar una vez instalado. El tipo será centrífugo, eje horizontal, con los alabes curvados hacia adelante, de simple o doble entrada, según se indique en los planos. Las características de capacidad, están indicadas en el cuadro de características de equipos mostrado en planos. La caída de presión exterior indicada indicada en el cuadro de de capacidades solo incluye pérdidas en ductos ductos y rejillas. El ventilador será construido y aprobado de acuerdo con las normas internacionales vigentes, tal como AMCA o similar y nacionales vigentes. Construcción de fácil reemplazo de las partes, debiéndose realizar pruebas estrictas en fábrica de acuerdo con las normas. La unidad estará compuesta por un ventilador, que incluye impelente y carcasa y una armadura soporte de la unidad provista de tapas de protección, sistema de accionamiento compuesto por el motor eléctrico, poleas, fajas y eje. El ventilador deberá ser de bajo nivel de sonido será fabricado íntegramente de planchas de acero negro. El impelente tendrá hojas inclinadas hacia adelante y deberá ser balanceado estática y dinámicamente en fábrica. La carcasa será de diseño aerodinámico, llevará collares integrados a la entrada y salida de aire para una fácil instalación al ducto de entrada y descarga de aire. Tendrá además perfiles de refuerzo de acero acer o negro, soldados. El motor eléctrico será construido según estándar NEMA, para conectarse a la red de 380/220 V, 60 Hz, 3 fases+Neutro, girando a 1750 RPM, cuya potencia será mayor al BHP requerido por el ventilador. Deberá ser del tipo abierto con ventilación incorporada, con protección contra goteos y salpicaduras, el aislamiento será clase F para uso tropical. El accionamiento del rodete será mediante un sistema de poleas acanaladas, de paso regulable para permitir











El acabado final de las planchas y estructura será con dos manos de pintura anticorrosiva y dos de esmalte final. Las soldaduras y elementos no galvanizados serán galvanizados previamente en frío con base de zinc epóxica. Se suministrará un arrancador magnético directo, con contactos auxiliares para mando a distancia, con protección térmica contra sobre carga en las tres fases fases y botonera de mando arranque parada en en gabinete de acero esmaltado al horno. En capacidades de acuerdo con la capacidad del motor. Se suministrará asimismo las conexiones eléctricas desde el tablero dejado por el contratista, en conductores THW, y con tubería de fierro galvanizado flexible, que deberán estar conformes con el C.E.P. Ductos. Se fabricarán e instalarán de conformidad con los tamaños y recorridos mostrados en planos, la totalidad de los ductos metálicos para Ventilación. El Contratista deberá verificar las dimensiones y comprobar que no existirán obstrucciones, proponiendo alteraciones en los casos necesarios y sin costo adicional, los que estarán sujetos a la aprobación del Ingeniero Supervisor. Para la construcción de los ductos se emplearán planchas de fierro galvanizado de la mejor calidad, ARMCO tipo zinc zinc grip o similar. En general, se seguirán las normas recomendadas por la Sociedad Americana de Ingenieros de Aire Acondicionado y Ventilación.









El Proveedor de los equipos suministrará e instalará un tablero eléctrico de control para las unidades componentes del sistema. El tablero será del tipo gabinete para adosar o empotrar a muros, con puerta y chapa e interruptores termo magnéticos del tipo SACE, MITSUBISHI o SQUARE D, de acuerdo a la demanda indicada en los planos de cada uno de los motores. Los tableros se conectarán en el punto de fuerza previsto por el Propietario. El Proveedor suministrará además todos los materiales (tuberías, cables, conectores, etc.) requeridos para la conexión eléctrica de las unidades, incluyendo protectores térmicos contra sobrecargas y variaciones de tensión arrancadores, además elementos que aseguren el perfecto funcionamiento y protección de los motores del sistema. Para todos los trabajos de instalación se seguirán fielmente las recomendaciones de la última edición vigente del Código Eléctrico Nacional y el Reglamento Nacional de Construcción. METODO DE CÁLCULO.1.-

Caudal Recomendado:

Se ha considerado una ventilación forzada con descargas de 3000 CFM en la S.E., las consideraciones para lograr este caudal es con la finalidad de cumplir con las siguientes premisas: Número de puertas de acceso a la S.E. 01 : 1 Número total de descargas : 15 Caudal de descarga por piso : 3000 CFM Presión positiva mínima dentro del ducto : 0.05” c.a. Número de puertas abiertas : 1 Caudal de aire por puertas abiertas con transito : 1500 CFM









Asumiremos una pérdida de 2.0” c.a. 3.-

Potencia del Inyector:

Considerando un caudal total de 3,000 CFM y una pérdida de presión de 2.0” c.a., tenemos: Potencia (V-1)

=

3,000 x 2.00 6,356 x 0.60

Potencia de motor recomendado (V-1) = 4.-

= 1.57 HP

2.0 HP, 380/220 V, 3f.

Potencia del Extractor:

Considerando los caudales indicados y para la caída de presión señalada en el punto anterior, tenemos: Potencia (EC-01) =

3000 x 0.55 = 0.43 HP 6,356 x 0.60

Potencia motor recomendado recomendado = 1.0HP, 380/220V, 380/220V, 1f, 60Hz

3.7

CALCULO DE LAS INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA

3.7.1

Investigación de las características de suelo.

= 1.0 HP









Las características de la red de alimentación son:     

Tensión de servicio, V = 22,9 kV Puesta a tierra del neutro: neutro: SI Puesta a tierra del Concesionario: NO Nivel de aislamiento de la instalaciones en baja tensión, VBU = 6000 V Características del terreno: Resistividad del terreno: 50 Ω-m Resistividad del hormigón: 3000 Ω -m Para el diseño de la puesta a tierra, se efectuaron medidas de resistividad del terreno con un equipo AMPROBE, colocando los electrodos a una distancia “D” entre ellos de 2; 3 y 4 metros, introduciendo los electrodos unos 30cm de profundidad. Obteniéndose los siguientes registros: r egistros: Distancia "D" entre electrodos (m) (Ώm) 2 48.7 3 52.5 4 53.4 Resistividad (ρ) registrada

ρ PROMEDIO ≈ 52.00 Ώm Resistividad del terreno (Arcilla – arena): 30-50 Ω - m (medición). 3.7.4 Puesta a tierra para Media Tensión, utilizando utilizando electrodo: electrodo:









Requiriendo una resistencia menor a 25 Ώ, se deberá reducir la resistividad del terreno removiendo la tierra original y remplazándola con tierra de chacra , eliminando las piedras y efectuando el tratamiento químico del pozo adicionando THORGEL, logrando reducir dicha resistividad en un 40 % según experiencias obtenidas, siendo el nuevo valor de la resistividad de 31.2 Ώm, logrando una resistencia de: R1 = 31,20 Ln (4 x 2,4) (2 x 3,1416 x 2,4) 0,01905 R1 = 12.87 Ώ < 25 Ώ; El valor obtenido, menor a 25 ohm, cumple con lo señalado por el CNE para puestas a tierra en Media Tensión. 3.7.5 Puesta a tierra para Baja Tensión, Tensión, utilizando electrodo: Considerando el mismo tipo de terreno que para la puesta a tierra de media tensión, deberá reducirse aún más la resistividad, de la siguiente manera:

− Cambiando la totalidad del terreno con radio de 1.00 m alrededor de la varilla, con tierra de chacra con el debido cuidado en la compactación a fin de lograr una mayor adherencia, permitiendo la reducción de la resistividad natural del terreno de un 40 %. − Luego de realizado el cambio de terreno, se realiza el tratamiento del terreno con THORGEL permitiendo una reducción de la resistividad del terreno en un 40 % más. Con estos dos procedimientos la resistividad inicial disminuye en 80 %, quedando con una resistividad final de 10.4 Ώm..











Tensión Nominal en el Secundario Potência de Corto Circuito Potencia Nominal del Transformador Proyectado. Máxima Demanda S.E. Proyectada Factor de Potencia Vcc del Transformador Longitud de la Línea

V2 Pcc Ptraf MD Vcc L

= 0,40kV. = 320,0 MVA = 630kVA. = 437,0 kW = 0,85 = 4,00% = 0,650 Km









Con los valores de las potencias de corto circuitos hallamos las corrientes de corto circuito (Icc) en todos los puntos. Icc = Pcc / 1,7321 * V Luego hallamos: Icc1 = Pcc1 Pcc1 / 1,7321*V1 = 8,077 kA Icc2 = Pcc2 Pcc2 / 1,7321*V1 = 4,47 kA Icc3 = Pcc3 Pcc3 / 1.7321*V2 = 20,87 kA Hallando la corriente nominal (In) del Interruptor Termo magnético en el secundario del transformador, para una máxima demanda de 437 kW In = MD (kW) / 1. In = 437 / 1,7321*0,90*0,40 In= 700.84 A









Icc3Ref = 9,8 A InF2 = 40 A Entonces: Tmáx F1 = 0,018seg. 0,018seg. Luego el tiempo mínimo de fusión de F1 será: TminF1 = 1,33 x TmáxF2 TminF1 = 1,33 x 0,018 TminF1 = 0,02394 segundos Luego con TminF1 e Icc2 seleccionamos en curvas características de mínima fusión al fusible N° 1 TminF1 = 0,02394seg. Icc1 = 8,077kA In F1 = 40 A

Cálculos Justificativos Sistema de Utilización Media Tensión

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