1.1 Clasificación de tensiones industriales indu striales
Generación Generación y transporte de electricidad es el conjunto de instalaciones que se utilizan para transformar otros tipos de energía en electricidad y transportarla hasta los lugares donde se consume. En una instalación normal, los generadores de la central eléctrica suministran voltajes de 26.000 voltios; voltajes superiores no son adecuados por las dificultades que presenta su aislamiento y por el riesgo de cortocircuitos y sus consecuencias. Transmisión Este voltaje se eleva mediante transformadores a tensiones entre 138.000 y 765.000 voltios para las líneas de transmisión (cuanto más alta es la tensión en la línea, menor es la corriente y menores son las pérdidas, ya que éstas son proporcionales al cuadrado de la intensidad de corriente). En la subestación, el voltaje se transforma en tensiones entre 69.000 y 138.000 voltios para que sea posible transferir la electricidad al sistema de subtransmisión. Distribución La tensión se baja de nuevo con transformadores en cada punto de distribución. La industria pesada suele trabajar a 34.500 voltios (34.5 kilovoltios). Comercialización y baja tensión Para su suministro a los consumidores se baja más la tensión: la industria suele trabajar a tensiones entre 380 y 415 voltios, y las viviendas reciben re ciben entre 220 y 240 voltios en algunos países y entre 110 y 127 en otros.
Clasificación de tensiones en México Baja tensión
0.127, 0.22, 0.44 y 4.16 kV
Distribución
13.2, 20 y 23 kV
Mediana tensión
32, 44 y 66 kV
Alta tensión
80, 100, 220 y 345 kV
Extra alta tensión
Más de 345 kV
1.2 Cargas industriales. Clasificación y capacidades de motores y cargas térmicas en alta, media y baja tensión. En general hay tres tipos de cargas industriales para las cuales se requiere que trabajen los motores: a) Cargas continuas. Este tipo de carga funciona las 24 horas del dia, los siete días a la semana, únicamente se detiene para mantenimiento y reparación. Receptores que operan en régimen continuo o poco variable. Estos receptores pueden trabajar durante un tiempo prolongado después de llegar a su temperatura máxima de trabajo, sin que se dañen. Ejemplo de ello son los motores eléctricos de compresores, bombas, ventiladores, etc. El cálculo del tamaño del motor es simple porque las cargas como bombas o ventiladores requieren una potencia de entrada constante para operar; pero, es esencial calcular la capacidad del motor correctamente en KW. Si la capacidad del motor en KW es menor que la requerida, el motor se sobrecalentará y si es mayor el motor opera frío, pero a una eficiencia y potencia menor. b) Cargas intermitentes. Estos receptores tienen un ciclo de trabajo corto, en el que no se llega a la temperatura máxima de trabajo, y luego el período de reposo es tal, que no permite la disminución de su temperatura hasta la temperatura ambiente c) Cargas variables Este tipo de carga, no tiene un ciclo de trabajo definido. Esta carga mayormente por necesidad o cuando se requiera, aunque por lapsos de tiempo es continuo.
1.3 Comportamiento de las cargas. Conceptos de demanda, perfiles y factores de demanda, de diversidad y de carga. Comportamiento de la carga Resistiva Convierte la energía eléctrica en calorífica. La resistencia depende principalmente del material y de sus características físicas. Este tipo de carga no produce un desfase en la corriente con respecto a la tensión. La potencia que sale de la fuente se obtiene con el producto de la tensión (V) y la corriente (I), misma que es transformada por la resistencia en calor o en trabajo. Capacitiva La potencia que toma la carga en el primer medio ciclo de la fuente de corriente alterna la convierte en campo eléctrico, que en el siguiente medio ciclo regresa la potencia a la fuente. Es decir, que el capacitor se carga y descarga (toma potencia de la fuente, la usa y la regresa, pero no la consume). En este caso no se habla de una resistencia (R), sino de una reactancia capacitiva (Xc), la cual depende de sus características físicas y de la frecuencia. La carga toma una potencia aparente (S) de la fuente, para consumirla, pero que posteriormente la regresa (Q), como potencia reactiva a la fuente, de tal forma que la carga no consume nada (P=0). Entonces al dueño, y a la fuente, no le conviene que la potencia se use y no se consuma y esté viajando de ida y vuelta, desde la fuente hasta la carga, originando pérdidas en los conductores y transformadores. Inductiva La potencia, que toma la carga en el primer medio ciclo de la fuente de corriente alterna, la convierte en campo magnético variable que, de a cuerdo con las leyes de Faraday y Lenz, producen una tensión en la bobina que se opone a la fuente que la produce. De tal forma que en el siguiente medio ciclo regresa la potencia a la fuente. Al igual que en el capacitor, la inductancia (bobina) toma potencia de la fuente, la usa y posteriormente la regresa y no la consume. De la misma manera que una carga capacitiva, la carga inductiva toma una potencia aparente (S) de la fuente, aparentemente para consumirla, pero que posteriormente la regresa (Q), como potencia reactiva a la fuente.
Carga mixta Las cargas, desde el punto de vista electrotécnico, pueden estar formadas por la combinación de elementos resistivos, capacitivos e inductivos. En este caso se tiene una impedancia (Z) formada por R y Xl, bajo este modelo la corriente depende de la tensión y la impedancia. En este caso la corriente se atrasa a un ángulo Θ, dando origen a las potencias: aparente (S), real (P) y reactiva (Q). En las cargas resistivas, capacitivas e inductivas se ha presentado la ecuación del factor de potencia (fp). Ésta generalmente se define como el coseno del ángulo que hay entre la tensión y la corriente. Lo ideal sería que toda la potencia utilizada se consuma, teniendo un factor de potencia igual a 1. Conceptos Demanda La demanda eléctrica es una medida de la tasa promedio del consumo eléctrico de sus instalaciones en intervalos de 15 minutos. En general, mientras más aparatos eléctricos se encuentren funcionando al mismo tiempo, mayor es la d emanda. En la mayoría de los casos, los cargos por demanda se incluyen como un componente de la factura de servicio eléctrico para empresas y para clientes comerciales e industriales. La demanda varía de acuerdo al cliente y al mes. Para registrar la demanda, un medidor especial controla el flujo de la electricidad que se suministra a las instalaciones particulares durante un periodo de tiempo determinado, generalmente en intervalos de 15 minutos. Demanda hace referencia a la cantidad de energía que se necesita en un momento determinado y se mide en kilovatios (Kw.). Perfil de demanda El perfil de demanda consiste en conocer el comportamiento de la energía eléctrica en el tiempo (periodos cuartos horarios), para analizar detalladamente los consumos mensuales en cada ciclo de facturación.
Factor de diversidad Es la relación entre la suma de las demandas máximas individuales de un grupo de cargas y la demanda máxima.
∑=
Factor de carga Es la relación entre el consumo durante un periodo de tiempo determinado y el consumo y el consumo que habría resultado de la utilización consumo de la potencia máxima durante ese periodo. A mayor factor de carga el $/kWh es menor y significa que se está trabajando al 100% de la capacidad.
∗
1.4 Tarifas de suministro para servicios de media y alta tensión. Clasificación, características y aplicaciones. EN MEDIA TENSION OM Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en media tensión, con una demanda menor a 100 kW. La demanda contratada la fijará inicialmente el usuario; su valor no será menor del 60% de la carga total conectada, ni menor de 10 kilowatts o la capacidad del mayor motor o aparato instalado. En el caso de que el 60% de la carga total conectada exceda la capacidad de la subestación del usuario, sólo se tomará como demanda contratada la capacidad de dicha subestación a un factor de 90%. Cuando la demanda máxima medida exceda de 100 kilowatts, el usuario deberá solicitar al suministrador su incorporación a la tarifa H-M H – M Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en media tensión, con una demanda de 100 kilowatts o más. La demanda contratada la fijará inicialmente el usuario; su valor no será menor del 60% de la carga total conectada, ni menor de 100 kilowatts o la capacidad del ma yor motor o aparato instalado. En el caso de que el 60% de la carga total conectada exceda la capacidad de la subestación del usuario, sólo se tomará como demanda contratada la capacidad de dicha subestación a un factor de 90%
H – MC Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en media tensión en las regiones Baja California y Noroeste, con una demanda de 100 kilowatts o más, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio, el cual tendrá vigencia mínima de un año. Con cargos fijos (MEDIA TENSION) OMF Esta tarifa se aplicará a los servicios suministrados en media tensión con una demanda menor a 100 kilowatts, cualquiera que sea el uso al que se destine la energía eléctrica, siempre que los usuarios soliciten inscribirse en este servicio. La solicitud de inscripción deberá presentarse durante los primeros 15 (quince) días naturales de cualquier mes del año. La inscripción en esta tarifa tendrá una vigencia mínima de un año y no pod rá darse por terminada antes de que concluya el último lapso de permanencia para el cual el usuario tenga potencia media comprometida mayor que 0 (cero). Por lapso de permanencia se entenderá un periodo de 12 (doce) meses calendario consecutivos en que el usuario se compromete a una potencia media. El lapso de permanencia se podrá renovar por nuevos lapsos, en los que a partir del mes siguiente a aquél en que sea aceptada la solicitud de renovación, se aplicarán los nuevos cargos que se notifiquen y para los cuales, en su caso, se adecuarán las potencias y energías comprometidas. HMF Esta tarifa se aplicará a los servicios suministrados en media tensión con una demanda de 100 kilowatts o más, cualquiera que sea el uso al que se destine la energía eléctrica, siempre que los usuarios soliciten inscribirse en este servicio. La solicitud de inscripción deberá presentarse durante los primeros 1 (quince) días naturales de cualquier mes del año. La inscripción en esta tarifa tendrá una vigencia mínima de un año y no podr á darse por terminada antes de que concluya el último lapso de permanencia para el cual el usuario tiene potencias medias comprometidas mayores que 0 (cero). Por lapso de permanencia se entenderá un periodo de 12 (doce) meses calendario consecutivos en que el usuario se compromete a una potencia media. El lapso de permanencia se podrá renovar por nuevos lapsos, en los que a partir del mes siguiente a aquél en que sea aceptada la solicitud de renovación, se aplicarán los nuevos cargos que se notifiquen y para los cuales, en su caso, se adecuarán las potencias y energías comprometidas.
HMCF Esta tarifa se aplicará a los servicios suministrados en media tensión en las regiones Baja California y Noroeste, con una demanda de 100 kilowatts o más, cualquiera que sea el uso al que se destine la energía eléctrica, siempre que los usuarios soliciten inscribirse en este servicio. La solicitud de inscripción deberá presentarse durante los primeros 15 (quince) días naturales de cualquier mes del año. La inscripción en esta tarifa tendrá una vigencia mínima de un año y no podrá darse por terminada antes de que concluya el último lapso de permanencia para el cual el usuario tenga potencias medias comprometidas mayores que 0 (cero). Por lapso de permanencia se entenderá un periodo de 12 (doce) meses calendario consecutivos en que el usuario se compromete a una potencia media. El lapso de permanencia se podrá renovar por nuevos lapsos, en los que a partir del mes siguiente a aquél en que sea aceptada la solicitud de renovación, se aplicarán los nuevos cargos que se notifiquen y para los cuales, en su caso, se adecuarán las potencias y energías comprometidas. EN ALTA TENSION HS Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en alta tensión, nivel subtransmisión, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio, el cual tendrá vigencia mínima de un año. La demanda contratada la fijará inicialmente el usuario; su valor no será menor del 60% de la carga total conectada, ni menor de la capacidad del mayor motor o aparato instalado. En el caso de que el 60% de la carga total conectada exceda la capacidad de la subestación del usuario, sólo se tomará como demanda contratada la capacidad de dicha subestación a un factor de 90%. HS – L Tarifa horaria para servicio general en alta tensión, nivel subtransmisión, para larga utilización Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en alta tensión, nivel subtransmisión, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio, el cual tendrá vigencia mínima de un año.
HT Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en alta tensión, nivel transmisión, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio, el cual tendrá vigencia mínima de un año. La demanda contratada la fijará inicialmente el usuario; su valor no será menor del 60% de la carga total conectada, ni menor de la capacidad del mayor motor o aparato instalado. En el caso de que el 60% de la carga total conectada exceda la capacidad de la subestación del usuario, sólo se tomará como demanda contratada la capacidad de dicha subestación a un factor de 90%. HT – L Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en alta tensión, nivel subtransmisión, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio, el cual tendrá vigencia mínima de un año. Valores cercanos a los 400 kV 1.5 Sistemas de medición para servicios de media y alta tensión. Características y arreglos de instalación de transformadores de corriente y potencial en mediana y baja tensión Para llevar a cabo una medición se requiere de unos Transformadores de Medición los cuales se conforman de Transformadores de Corriente (TCs) y Transformadores de Potencial (TPs) o Transformadores Combinados (TCs y TPs en uno sólo) Transformador de potencial El transformador de potencial es un transformador con devanados especiales: el primario para alto voltaje y el secundario para bajo voltaje. Este transformador tiene una potencia nominal muy baja y su único propósito es suministrar una muestra del sistema de voltaje de potencia a los instrumentos que lo monitorean. Debido a que el principal propósito del transformador es tomar muestras del voltaje, debe ser muy exacto para no distorsionar demasiado el valor de voltaje verdadero. Se pueden comprar transformadores de potencial de varios niveles de exactitud, dependiendo de qué tan exactas deban ser las lecturas para determinada aplicación.
Los transformadores de potencial se construyen con un devanado primario y otro secundario; su capacidad es baja, ya que se determina sumando las capacidades de los instrumentos de medición que se van alimentar y varían de 15 a 60 VA. Los aislamientos empleados son de muy buena calidad
Se construyen para diferentes relaciones de transformación, pero la tensión en el devanado secundario es normalmente 115 volts. Para sistemas trifásicos se conectan en cualquier de las conexiones trifásicas conocidas, según las necesidades. Debe tenerse cuidado de que sus devanados estén conectados de acuerdo con sus marcas de polaridad
Tranformadores de corriente Los transformadores de corriente toman una muestra de la corriente en una línea y la reducen a un nivel seguro y mensurable. El transformador de corriente consta de un devanado secundario enrollado alrededor de un anillo ferromagnético, con una sola línea primaria que pasa a través del centro del anillo. El anillo ferromagnético capta y concentra una pequeña muestra del flujo de la línea primaria. Est e flujo induce un voltaje y una corriente en el devanado secundario. Los valores nominales de los transformadores de corriente se dan como relaciones de la corriente primaria con la secundaria. Las relaciones típicas de un transformador de corriente son 600:5, 800:5 o 1 000:5. Una corriente de 5 A es la estándar en el secundario de un transformador de corriente. Es importante mantener en cortocircuito al transformador de corriente en todo momento, debido a que pueden aparecer voltajes extremadamente altos a través de los terminales de sus secundarios abiertos
Su construcción es semejante a cualquier tipo de transformador La capacidad de estos transformadores es muy baja, se determina sumando las capacidades de los instrumentos que se van a alimentar, y puede ser de 15, 30, 50, 60 y 70 VA Son de tamaño reducido El aislamiento debe de ser de buena calidad
1.6 Redes de distribución industriales de media y baja tensión. Radiales, primarios y secundarios selectivos, primarios con alimentador único, con alimentadores múltiples y anillos primarios. Los principales datos de sistema eléctricos son la tensión nominal, la frecuencia nominal y su comportamiento en caso de cortocircuito. Los sistemas de distribución de energía eléctrica comprenden niveles de alta, baja y media tensión Un sistema de distribución de energía eléctrica es un conjunto de equipos que permiten energizar en forma segura y confiable un número determinado de cargas, en distintos niveles de tensión, ubicados generalmente en diferentes lugares Los elementos que conforman la red o sistema de distribución son los siguientes:
Subestación de Distribución de casitas: conjunto de elementos (transformadores, interruptores, seccionadores, etc.) cuya función es reducir los niveles de alta tensión de las líneas de transmisión (o subtransmisión) hasta niveles de media tensión para su ramificación en múltiples salidas. Circuito Primario. Circuito Secundario. La distribución de la energía eléctrica desde las subestaciones de transformación de la red de transporte se realiza en dos etapas. La primera está constituida por la red de reparto, que, partiendo de las subestaciones de transformación, reparte la energía, normalmente mediante anillos que rodean los grandes centros de consumo, hasta llegar a las estaciones transformadoras de distribución. Las tensiones utilizadas están comprendidas entre 25 y 132 kV. Intercaladas en estos anillos están las estaciones transformadoras de distribución, encargadas de reducir la tensión desde el nivel de reparto al de distribución en media tensión. La segunda etapa la constituye la red de distribución propiamente dicha, con tensiones de funcionamiento de 3 a 30 kV y con una característica muy radial. Esta red cubre la superficie de los grandes centros de consumo (población, gran industria, etc.), uniendo las estaciones transformadoras de distribución con los centros de transformación, que son la última etapa del suministro en media tensión, ya que las tensiones a la salida de estos centros es de baja tensión (127/220 ó 220/380 V1 ). Las líneas que forman la red de distribución se operan de forma radial, sin que formen mallas, al contrario que las redes de transporte y de reparto. Cuando existe una avería, un dispositivo de protección situado al principio de cada red lo detecta y abre el interruptor que alimenta esta red. La localización de averías se hace por el método de "prueba y error", dividiendo la red que tiene la avería en dos mitades y energizando una de ellas; a medida que se acota la zona con avería, se devuelve el suministro al resto de la red. Esto ocasiona que en el transcurso de localización se pueden producir varias interrupciones a un mismo usuario de la red.
Sistemas de distribución radiales
En el sistema radial la corriente eléctrica circula en una sola direcc ión, lo que ofrece un control sencillo del flujo ya que es realizado exclusivamente del centro de alimentación. El sistema radial es análogo a una rueda con rayos emanando desde el centro. La potencia principal se envía a un punto central, y desde allí se divide en circuitos con ramificaciones en serie para suministrar servicios a clientes individuales. El sistema tipo red se parece a una rejilla en paralelo y, dada su facilidad de lectura se ha convertido en el estándar para los sistemas de distribución subterráneos donde existe una densidad elevada de carga. Se caracteriza por la alimentación por uno solo de sus extremos transmitiendo la energía en forma radial a los receptores y el emisor. Además presenta un cableado en las partes. Ventajas Resaltan su simplicidad y la facilidad que presentan para ser equipadas de protecciones selectivas. Desventajas Su falta de garantía de servicio. Estas desventajas pueden ser compensadas en la actualidad con los dispositivos modernos de desconexión automática de la zona en falla llamados "Órganos de Corte de Red" o la utilización de los dispositivos llamados "Reconectadores" que desconectan y cierran la zona en falla, procurando de esa manera despejar la zona en falla y volver el servicio sobre la línea completa.
Sistemas de distribución en anillo
Esta topología se utiliza en situaciones en las que queremos aumentar la fiabilidad del servicio, ya que, si hay una avería en un punto del anillo, se puede mantener dicho servicio si alimentamos desde otro punto (se recomienda, por ejemplo, en polígonos industriales). Vemos que hay dos centros de transformación A y B, que evidentemente no pueden estar en servicio simultáneamente. Este tipo de redes en anillo tienen el inconveniente de que, la aparición de una avería en un centro de transformación, provoca el corte de suministro en toda la red. Este sistema comienza en la estación central o subestación y hace un “ciclo”
completo por el área a abastecer y regresa al punto de donde partió. Lo cual provoca que el área sea abastecida de ambos extremos, permitiendo aislar ciertas secciones en caso de alguna falla. Este sistema es más utilizado para abastecer grandes masas de carga, desde pequeñas plantas industriales, medianas o grandes construcciones comerciales donde es de gran importancia la continuidad en el servicio. Ventajas
Son los más confiables ya que cada carga en teoría se puede alimentar por dos trayectorias. Permiten la continuidad de servicio, aunque no exista el servicio en algún transformador de línea. Al salir de servicio cualquier circuito por motivo de una falla, se abren los dos interruptores adyacentes, se cierran los interruptores de enlace y queda restablecido el servicio instantáneamente. Si falla un transformador o una línea la carga se pasa al otro transformador o línea o se r eparte entre los dos adyacentes. Si el mantenimiento se efectúa en uno de los interruptores normalmente cerrados, al dejarlo desenergizado, el alimentador respectivo se transfiere al circuito vecino, previo cierre automático del interruptor de amarre
1.7 Alimentadores primarios aéreos y de cable de energía. Criterios de selección de canalizaciones, ruteos y cálculo de conductores Calculo de conductores Para el cálculo exacto del calibre de los conductores eléctricos, deben tomarse en consideración principalmente la corriente por transportar y la caída de tensión máxima permisible según el caso. Cuando realicemos el cálculo de los conductores eléctricos en las líneas de baja tensión, para determinar la sección de los mismos, lo debemos de realizar teniendo en cuenta unos criterios técnicos y de acuerdo con la normativa contenida en el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión y normas particulares de CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO Teniendo en cuenta que como veremos posteriormente, el calentamiento de un conductor, es independiente de la longitud y, no así la caída de tensión, será pues éste el criterio que prevalecerá en líneas de gran longitud y el anterior en las líneas de reducidas longitudes. Uno de los criterios antes indicados será el más exigente en cuanto a sección necesaria de la línea y será el que se adopte para el cálculo de la misma. Con las formulas siguientes se buscara la corriente dependiendo del tipo de sistema eléctrico, con los datos de la longitud se busca el calibre de alimentador adecuado tomando en cuenta el criterio de la corriente, con base en la Tabla 310 – 15(b)(16) de la NOM – 001 – SEDE – 2012. Para cálculo de conductor Circuito monofásico
∗ ..
1, 2
Circuito bifásico
∗ ..
2,2
Circuito bifásico
∗ ∗ .. 2,3
Circuito trifásico
√ ∗ ∗ .. 3,4
Para cálculo de caída de tensión. Circuito monofásico
%
∗ ∗ ∗
1,2
Circuito bifásico
%
∗∗ ∗
2,2
Circuito bifásico
%
∗∗ ∗
2, 3
Circuito trifásico
%
∗√ ∗ ∗ ∗
3, 4
Acotas y unidades de medida.
I V
= Corriente en Amperes. = Voltaje en Volts.
Ω
= Resistencia en ohmios.
W = Potencia en Watts. L = Longitud del conductor en metros. S = Sección del conductor en . Vn = Tensión de fase a neutro (127 volts). Vf = Tensión de fase a fase (220 volts). F. P. = Factor de Potencia.
Para el cálculo de la dimensión del tubo conduit se harán uso de las Tablas 4 y 5 pertenecientes al Capítulo 10 de la Nom-001-SEDE-2012, donde de la Tabla 5 se obtiene el área aproximada de los conductores y estos se comparan con los datos de la Tabla 4 para obtener el tamaño adecuado del tubo conduit usando un factor de relleno del 40%
