Secciones y protecciones PDF

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Protecciones de instalaciones fotovoltaicas...

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José María Alba Carrascosa

CRITERIO ELECCIÓN

ONES TOS

INDICE TEMÁTICO – CRITERIOS DE CÁLCULO DE SECCIONES Y PROTECCIONES Ir al Índice de la 1ª parte…

1.- INTRODUCCIÓN, criterios de diseño…………………………………………………………………………….. 3 2.- BASES DE CÁLCULO…………………………………………………………………………………………..… 4-6 2.1.- Circuitos tramo "Sistema fotovoltaico. 2.2.- Circuito tramo de salida convertidor. 2.3.- Tipos de ejecución de las instalaciones.

3.- FACTORES DE CORRECCIÓN....................................................................................................................... 6 3.1. - Redes aéreas ITC-BT-06. 3.2. - Redes subterráneas ITC-BT-07. 3.3. – Factores a temperaturas distintas de 60ºC, según Aenor EA-0038.

4.- PROPUESTA DE UNA APLICACIÓN PRÁCTICA.......................................................................................... 7 5.- PROCESO DE CÁLCULO...................................................................................................................... ......... 6 5.1.- Cálculo de las intensidades. 5.2.- Establecer el valor de la conductividad  ………………………………………………………………………….. 7 5.3.- Calcular la sección de cada tramo…………………………………………………………………………….……. 8 5.3.1 De paneles a regulador. 5.3.2 De regulador a batería. 5.3.3 De batería a convertidor……………………………………………………………….…………….……….……. 9 5.3.4 De convertidor a DGMP. 5.3.5 Sección de los conductores de protección. 5.3.6 Identificación de los conductores. 5.4.- Cálculo del calibre de los interruptores automáticos…………………………………………………….…… 10 5.4.1 Factores de influencia generales en la elección de interruptores automáticos……..………….………….. 11 5.4.2 Ejemplos de cálculo 1 y 2…………………………………………………………………………….……….… 12 5.5.- Continuación del cálculo propuesto. 5.6.- Contrastar el resultado con la Imax admisible……………………..……………………………………….…… 13

6.- CÁLCULO PARA LÍNEAS TRIFÁSICAS...................................................................................................... 14 7.- ACLARACIONES IMPORTANTES. Calibre del inversor ………………………………………..….…… 14÷15 8.- ANEXOS Y TABLAS................................................................................................................................ 16÷24 Modos de instalación según UNE 20.460-5-523 …………………………….………………………………..………. 16 A1- Tabla de intensidades máximas admisibles instalación al aire ................................................................. 17 A2- Tabla de intensidades máximas admisibles instalación enterrada ........................................................... 18 A3- Tabla de intensidades máximas admisibles instalación al aire, según RBT ............................................ 19 A4- Tabla de intensidades máximas admisibles para circuitos fotovoltaicos, según AENOR ……………… 20 A5- Equivalencias de secciones de AWG a milímetros...…………………………………………………….…..… 21 A6- Criterios importantes en la elección de magnetotérmicos para corriente continua …..……………… 21÷23 A7- Simbología de elementos de corte y protección………………………………………….…………………. 25÷26 Ir al Índice de la 1ª parte…  José María Alba Carrascosa

* Departamento de Electricidad

* CIPFP "La Costera" Xàtiva. 101 páginas en total.

Página personal del Módulo de Instalaciones Singulares Acceso al Curso en Internet Revisado y actualizado textos, datos, esquemas y fotos en junio de 2.011 Cursos en el entorno Moodle de CIPFP La Costera En este trabajo se utilizan varios criterios de símbolos matemáticos para evitar confusiones: el signo multiplicador "por", podrá ser un punto grueso"•" en vez de una "x". También "÷" para expresar valores comprendidos entre la cifra anterior y posterior a él.

1 - INTRODUCCIÓN. La elección reglamentaria de la sección de un cable radica en calcular la sección mínima normalizada que satisface simultáneamente las tres condiciones siguientes, y los factores de corrección: 1º - Criterio de la intensidad máxima admisible, de calentamiento, o criterio térmico. La temperatura del conductor del cable, trabajando a plena carga y en régimen permanente, no deberá superar en ningún momento la temperatura máxima admisible asignada de los materiales que se utilizan para el aislamiento del cable. Esta temperatura se especifica en las normas particulares de los cables y suele ser de 70ºC para cables con aislamiento termoplásticos y de 90ºC para cables con aislamientos termoestables. 2º - Criterio de la caída de tensión. El paso de la corriente a través de los conductores, ocasiona pérdida de potencia transportada por el cable, y una caída de tensión o diferencia entre las tensiones en el origen y extremo de la línea. Esta caída de tensión debe ser inferior a los límites marcados por el Reglamento en cada parte de la instalación, con el objeto de garantizar el funcionamiento correcto de los receptores alimentados. Este criterio suele ser el determinante cuando las líneas son de larga longitud. 3º - Criterio de la intensidad de cortocircuito. La temperatura que puede alcanzar el conductor del cable, como consecuencia de un cortocircuito o sobre intensidad de corta duración, no debe sobrepasar la temperatura máxima admisible de corta duración (menos de 5 segundos) asignada a los materiales utilizados para el aislamiento del cable. Esta temperatura se especifica en las normas particulares de los cables y suele ser de 160º C para cables con aislamiento termoplásticos y de 250º C para cables con aislamientos termoestables. Este criterio, aunque es determinante en instalaciones de alta y media tensión no lo es en instalaciones de baja tensión ya que por una parte las protecciones de sobre intensidad limitan la duración del cortocircuito a tiempos muy breves, y además las impedancias de los cables hasta el punto de cortocircuito limitan la intensidad de cortocircuito. 4º - Factores de corrección que afectarán a la instalación. Varios son los "Factores de corrección" que afectan a la intensidad máxima admisible en un conductor:  El tipo de canalización del cableado: al aire, empotrada, o enterrada, serán las más utilizadas.  La proximidad de los conductores.  La exposición directa o no al sol, si está "al aire", sin protección.  La profundidad de la canalización, si fuera enterrada. Primero definiremos cada tramo de una ISF, ya sea conectada o aislada, basándonos en las Normas específicas para ISF en cuanto a la definición de cada trazado del cableado descrito en: UNE-204060-7-712, y del tipo de cable utilizar, especificado en: AENOR EA 0038, y para el resto según el RBT. Red de distribución Local o vivienda usuario Contador

ICP

DGMP : Dispositivos Generales de Mando y Protección

DGMP

ISF: Instalación Solar Fotovoltaica

ACOMETIDA Wh

Fusible de segurida

INSTALACIÓN INTERIOR

Red de di

SISTEMA FOTOVOLTAICO

ACOMETIDA Wh Instalación fotovoltaica conectada a red

DERIVACIÓN INDIVIDUAL??

Instalación fotovoltaica autónoma o aislada

INSTALACIÓN INTERIOR

2 - BASES DE CÁLCULO. 2.1.- Circuitos del tramo "Sistema fotovoltaico". Tendremos en cuenta las Normas UNE/AENOR, y las instrucciones del RBT siguientes: UNE-204060-7-712 Sistemas de alimentación solar fotovoltáica (PV); AENOR EA 0038:2008 Cables eléctricos de utilización en circuitos de sistemas fotovoltaicos. UNE 20.460.-3, -5-523, IEC 60287, cables expuestos a radiación solar. UNE-EN 500085-1 y 500086-1, cables de seguridad aumentada, UNE 21.123, 4,5, ó UNE 21100;… Veamos primero que dicta el RBT: Instalaciones generadoras: ITC-BT 40,…” Los cables de conexión deberán estar dimensionados para una intensidad no inferior al 125% de la máxima intensidad del generador y la caída de tensión (U) entre el generador y el punto de interconexión a la Red de Distribución Pública o a la instalación interior, no será superior al 1’5%, para la intensidad nominal.” NO !!... es AUTOGENERADORA. ¿Se considera una ISF aislada como instalación generadora? En el documento PCT-A-REV-febrero 2009 (Pliego de Condiciones Técnicas de ISF aisladas de red, revisión de febrero NO CONTEMPLA el efecto de la temperatura sobre los conductores, pero por lo menos coincide con el valor de la caída de tensión no superior al 1'5%. de 2009)

Por otro lado, Prysmian, fabricante de cables, aconseja: …”si no queremos sobrepasar los límites de caída de tensión debemos tomar como conductividad 44 para el cobre y 27'3 para el aluminio (en cables termoestables) de lo contrario debemos calcular la temperatura de trabajo del aislamiento”. Simplificando, calcula la intensidad sobredimensionándola un 55% multiplicando por 1’55. El valor de la resistividad ρ (rho) y de conductividad γ (gamma) a 20 ºC, para el cobre y aluminio, será: 2

2

Cobre: ρcu = 0’01786 mm /m, que implica una γcu = 56 Smm /m, resistencia específica αcu=0’00392. 2 2 Aluminio: ρal = 0’0287 mm /m, que implica una γal = 35 Smm /m, resistencia específica αal=0’00403. Si no hay necesidad de cálculo de la resistividad o conductividad según la temperatura ambiente, podemos establecer como habitual el uso del valor que tiene a la temperatura límite del conductor, 90 ºC: 2

γcu-90 = 44 Smm /m

-

2

γal-90 = 27'3 Smm /m. (prefiero usar la conductividad por tener menor número de dígitos)

En el ejemplo de cálculo propuesto calcularemos la conductividad según la temperatura de trabajo del conductor, según el tipo de canalización, número de conductores, y la intensidad de cada tramo. La Norma AENOR EA 0038:2008, fija una tabla de factores de corrección para temperatura ambiente >60ºC, y las intensidades máximas admisibles. (Ver anexo 4) 2

Recordemos las secciones normalizadas de conductores de cobre, en mm :

1'5

2'5

4

6

10

16

25

35

50

70

95

120

150

185

240

300

400

500

La Norma Aenor EA 0038, resumidamente dice: … Para conexión entre paneles, de paneles a cajas de conexión (strings control) o entre éstas… es de aplicación a cables unipolares flexibles para instalación fija o móvil, en circuitos de ISF, con una tensión en corriente continua c.c. de 1'8 KV… … temperaturas de referencia cableado entre paneles y entre éstos y la caja de conexión: ambiente -40ºC a 90ºC, y máxima del conductor 120ºC. 2 2 Secciones normalizadas para estos tramos: de cobre estañado de 2'5 mm hasta 35 mm . Designación de cables: "fotovoltaico ZZ-F(AS), SZ-F(AS) y SS-F(AS)", siendo cada letra: Z: mezcla de compuesto reticulado con baja emisión de humo, gases tóxicos. S: mezcla de compuesto reticulado basado en silicona. -F: conductor de cobre, flexible para instalación móvil. (AS): comportamiento a ensayos de reacción al fuego prescritos. Color de la cubierta: negro o rojo. Marcado: según apartados dedicados en UNE 21027, legible, indeleble, etc. En el anexo 4 se indica también la guía de utilización de estos cables.

… Para conexión de paneles a inversor, o de cajas de conexión (strings control) a inversor… … temperaturas de referencia cableado entre la caja de conexión e inversor: ambiente -40ºC a 90ºC, y máxima del conductor 90ºC. Tensión asignada de 1'8 KV en c.c. 2 2 Secciones: de 16 mm a 300 mm . Designación de cables: No armados: "fotovoltaico XZ-K(AS), XS-K(AS)". Armados: "fotovoltaico XZ1FAZ-K(AS), XZ1FA3Z-K(AS), XZ1FMAZ-K(AS), XZ1FAS-K(AS), XZ1FFA3S-K(AS), y XZ1MAS-K(AS); siendo cada letra:  X: mezcla de compuestos de polietileno reticulado.  Z1: compuesto de baja emisión de humos, gases tóxicos.  FA: armadura de fleje de aluminio.  FA3: armadura de fleje corrugado de aluminio.  MA: armadura de alambres de aluminio.  Z: compuesto reticulado de baja emisión de humos, gases corrosivos.  S: mezcla de compuesto reticulado basado en silicona.  -K: conductor flexible para instalación fija.  (AS): comportamiento a ensayos de reacción al fuego prescritos. Color de la cubierta: negro. Marcado: según apartados dedicados en UNE 21027, legible, indeleble, etc. 2.2.- Circuitos del tramo de salida del convertidor, e instalación interior. Ahora utilizaremos las relacionadas con cada tipo de trazado, según la ITC del RBT: ITC-BT 06, Redes aéreas para distribución de baja tensión, UNE 21.030. ITC-BT 07, Redes subterráneas para distribución de baja tensión, UNE 211435, UNE-HD 603. ITC-BT 19 / 20, Instalaciones interiores o receptoras. Prescripciones generales/Sistemas de instalación. ITC-BT 21, Instalaciones interiores o receptoras. Tubos y canales protectores. La primera condición es la de cumplir con la tabla de las intensidades admisibles indicada en el RBT según la UNE 20.460-5-523 de 11-2004 (Pág. 10 y 11), que dependerá del tipo de aislamiento del cable, etc. El cable de PVC conocido por VVK (la primera V indica que el aislamiento interior es de PVC) cada vez es menos utilizado y su temperatura de servicio es hasta 70 ºC. El cable XLPE es el más utilizado (pero no se puede utilizar en DI, pues no es de seguridad aumentada (AS)). En instalaciones BT y acometidas para armarios eléctricos se conoce como RVK (la primera R indica que el aislamiento interior es de polietileno reticulado = XLPE) y su temperatura de servicio es hasta 90 ºC. (DI Derivación Individual) 2

En una DI, la ITC-BT-15 nos obliga a instalar cables de sección mínima de 6 mm con cables de seguridad aumentada (AS), no propagadores ni de la llama ni de incendio, libres de halógenos y de emisión reducida de humos. Para montaje superficial o empotrado en canal o tubo se puede utilizar el de nomenclatura ESO7Z1K(AS), para España, o el H07Z1K(AS) en denominación europea; es un cable aislado, de tensión asignada 450/750V de cobre y aislamiento de compuesto termoplástico a base de polyolefina (Z1), y 70 ºC de temperatura máxima de servicio. Para cables multiconductores se utiliza el de designación genérica RZ1K(AS) que es un cable de tensión asignada 0,6/1kV con conductor de cobre clase 5 (de aquí la letra K), aislamiento de polietileno reticulado (R) y cubierta de compuesto termoplástico a base de polyolefina (Z1), y 90 ºC de temperatura máxima de servicio. Para conductores de la "Instalación interior", nos regiremos por las ITC-BT 19, 20 y 21. Para la "Instalación interior" debemos utilizar los valores de caída de tensión ( U) de la Tabla indicada en la "Guía Técnica-BT, anexo-2":

2.3.- Tipos de ejecución de las instalaciones. (Ver "Modos de instalación", pág. 16, para ampliar la información) Los sistemas más utilizados en ISF con conductores aislados son: Aéreos, o posados:  Directamente posados sobre muro o fachada, mediante abrazaderas.  Tensados entre soportes, a una distancia mínima de 2'5 m, u otros condicionantes (ITC-BT-06, 3). Enterrados:  Directamente enterrados a 0'6/0'8 m acera/calzada, (ITC-BT-07, 2).  En canalizaciones entubadas, (según 1.2.4 ITC-BT-21). Empotrados en huecos de la construcción. Bajo tubos o canales protectores, (ITC-BT-21).

3 - FACTORES DE CORRECCIÓN. Veamos algo de la normativa relacionada para Redes de Distribución: (recalco "Redes de Distribución") 3.1.- Redes aéreas: ITC-BT-06,…La tabla 6, resume que en caso de exposición directa al sol, la intensidad máxima admisible se multiplicará por el factor 0’9, o inferior, según recomienda UNE-20.435. También indica los factores de corrección por agrupación de varios cables instalados al aire: Nº de cables Factor corrección

1 1

2 0’89

3 0’8

>3 0’75

3.2.- Redes subterráneas: ITC-BT-07,… En la Tabla 8, instalaciones enterradas directamente o en tubos (0’7m-25 ºC, con cables en contacto d=0), y también si varía la profundidad de referencia que es 70 cm (Tabla 9): Nº de cables Factor corrección

2 0’8

3 0’7

4 0’64

5 0’6

6 0’56

8 0’53

10 0’5

12 0’47

Profundidad en m Factor corrección

0’4 1’03

0’5 1’02

0’6 1’01

0’7 1

0’8 0’9

0’9 0’98

1 0’97

1’2 0’95

****También nos indica que bien sea un cable tripolar o una terna de cables, si van por un mismo conducto, se aplicará un factor de corrección de 0’8, y para cuatro cables, de 0’9. ¡Con sólo 2 cables NO! ****Además, como la Tabla de intensidades máximas admisibles en instalación enterrada, sólo contempla cables tripolares o terna de unipolares, habrá que contar como intensidad máxima, la indicada por 1’225, si se trata de dos cables unipolares, o uno bipolar, que es bastante habitual en ISF. (Pág. 10). Como pone el título de este apartado, nos basamos en datos y Tablas de Redes de Distribución, en cuanto hemos establecido para instalaciones ISF la analogía con líneas para "Derivación individual". Recuerdo que no hay Normativa, y tratamos de hacer la instalación lo más cercana posible a "otras" que por su tipología se asemejan, en pro de la calidad y seguridad de la instalación.

3.3.- Factores de corrección para temperaturas distintas de 60ºC para cables según EA 0038: Cables de cobre flexibles, para circuitos fotovoltaicos Temperatura ambiente ºC Hasta 60 70 80 90 100 110

Factor de corrección 1 0'91 0'82 0'71 0'58 0'41

4 – PROPUESTA DE UNA APLICACIÓN PRÁCTICA. A partir de una instalación solar fotovoltaica aislada, vamos a exponer los criterios de cálculo a tener en cuenta en este tipo de instalaciones generadoras, basándonos en estos datos: 10 paneles de Up: 17V - Ip: 6’5A - Isc: 7’2A; convertidor de 12V cc/230V ca – 2000 W -  92%. Potencia máxima de carga a 230 V ca: 2300W, cos φ 0’87, Fs 0'8. Las longitudes y caídas de tensión que en principio tomamos de cada tramo aparecen en el croquis. Tipo de canalizaciones: l1, enterrada en conductos, a 0’5 m, agrupados y en contacto, t ºC ambiente θ (theta) 25 ºC. l2, l3, y l4, bajo tubo en montaje superficial, temperatura ambiente θ (theta) 40 ºC. Tipo de conductores: todos de cobre, flexible, unipolar: l1: XZ-K(AS) 1'8KV - 90ºC. Para, l2, l3, l4: HO7Z1K(AS), 450/750 V - 70 ºC. (Podemos utilizar también el aluminio, por el tema del robo !!)

l1 – 15 m

e = 0’5%

REG 17V

l3 – 1’5 m e = 0’25%

l2 – 1’5 m e = 0’5%

l4 – 15 m e = 0’25%

12V

DGMP  230V

Instalación interior

ΔU 3% (e)

ΔU 1’5% (e)

5 PROCESO DE CÁLCULO. 5.1 - Cálculo de las intensidades de servicio de paso o de cálculo, para cada tramo. Para el cálculo del tramo de cableado desde los paneles hasta el regulador, l1, utilizaremos la intensidad de cortocircuito de todas las ramas de paneles; algunos aconsejan mayorar un 25% más, para futuras ampliaciones; si no lo deseamos, no se incluirá este mayorando o sobredimensionado (x1’25). (Según PCT-A-REV-02 2009, es obligado, por lo que si nuestra instalación debe acogerse a esas condiciones, debemos incluirlo)

 1   sc  N º ramas  7'2 10  72 A

(Nosotros, NO sobredimensionamos)

Para conocer la intensidad del tramo del regulador a la batería, l2, haremos servir la máxima que pueden proporcionar los paneles, que será la de pico, por el número de ramas, y por el rendimiento del regulador, si se conoce, ó 0’9 en su defecto. Se puede mayorar por 1’25 pensando en futuras ampliaciones, o si no lo deseamos, no se incluirá este mayorando o sobredimensionado, sólo se aconseja.

 2   p  N º ramas  REG  6'5  10  0'9  58'5 A

(Nosotros, NO sobredimensionamos)

La intensidad del tramo desde la batería hasta la entrada del inversor, l3, debe ser la máxima que absorba toda la carga prevista en el lado de alterna, teniendo en cuenta el rendimiento del inversor empleado.

P   2300  12   208'33 A  3   ca U cc        0'92 La intensidad del tramo l4, del convertidor hasta el cuadro general de protecciones, será la potencia máxima que absorba toda la c...