Sistemas de Distribución (Roberto Espinosa y Lara) PDF

Preview

Summary

mamaommma Estrocturas fundamentales 2.1 GENERALIDADES Los sistemas de distribución se pueden dl:Sarrollar en estruc1Urus diversas. La csmactura de la red de dislribución que se adopte 1amo en mediana como baja ten- ~ión depende de los parámetro$ que intervengan en la planeación de la red, tales com...

Description

mamaommma Estrocturas fundamentales

2.1 GENERALIDADES

Los sistemas de distribución se pueden dl:Sarrollar en estruc1Urus diversas. La csmactura de la red de dislribución que se adopte 1amo en mediana como baja ten~ión depende de los parámetro$ que intervengan en la planeación de la red, tales como: • Densidad. • Tipo de cargas: - Residencial. - Comercial. - IndustriaL -

Mi~ta.

• L.ocalltación geográfica de la carga. • Área de exp3J1$i6n de la carga. • Contmuidad del servicio. Un punto import8nte en la decisión umto del tipo de construcción como de la estructura del siStema de1liuribución que se va a desarrollar depende conside· mblcmente de la calidad del servicio que se desee, pudiéndose subdividir ésta en dos partes l'undat'l]entnles: • Continuidad del servicio. • Regulación de tensión.

21

ESTRUYTURAS FUNDAMENTAlES

22

S UBESTACIÓN

Figura 2.1 R(d de operación ra(lial sirviendo ('11rgas en mediana y OOja te(lsión.

La topología del sistema tendrá una influencia decisiva en la continuidad del sistema y un impacto menor en la regulación de tensión. En cuanto a su operación, hay sólo dos tipos fundamentales de redes de distri· bución:

• Radial. • ParaleJo.

Por definición, un sistema de operación r.Wi:ll es aquel en que el flujo de energía tiene una sola trayectoria de la fuente a la carga, de ·tal manera que una falla en ésta produce interrupción en el servicio. Este sistema de servicio de energía eléctrica es probablemente el más antiguo y com~nmcnte usado en la distribución de energía eléctrica. Debido a su bajo costo y sencillez, las redes de o_peración radial se seguirán usando, pero tratando también de mejorar sus características de operación para hacerlas más confiables. La figura 2.1 muestra una alimentación de este tipo. En un sistema de operación en paralelo el flujo de energía se divide entre varios elementos, teniendo más de una trayectoria. La operación en paralelo se utiliza sobre todo en redes de baja tensión. Con

este tipo de redes se tiene una estructura sencilla en la red primaria, donde las

ESTRUCTURAS DE MEDIANA TENSIÓN

23

SUBESTACt6 N

•1cu,.. l .Z Mal de ope:rnción cD p¡:~taldo cft la bilja"tcl\\tÓn

subestacíones están conectadas en simple derivación radial. la continuidad está asegurudh en la red de baja tensión por· medio de la operación erl paralelo. Las pro~cciones sólo existen en la salida de los alimenUidores de red y a la salida de los transfonnadores. La eliminación de las fallas en los cables de la red de baja tensión se hace por autoextinción o bien con fusibles !imitadores colocados en lo~ extremos de los cables. En este caso el nivel de c:onñnuidad desciende hasta las derivaciones a los servicios. En la figura 2.2 se muesua una red de este tipo. Cada una de estas redes tiene algunas vari:lciones y modilicadones: por tanto. es conveniente establ~-cr una ciiiSificacióo funcional de las diferentes estrucrur.u;, asr como de sus combinaciones posibles. 2.2 ESTRUCTURAS OE J\1ED1ANA TENSIÓN En forma generalizada es posible enumerar las diferentes estructuras de mediana tensión que má.• se emplean en la actualidad en los sistemas de distribución como sigue:

ESTAUCTUFIAS FUNOAMENTALES

24

• • • • • •

1!3tructura radial: Aérea, mixta y subterránea. l!$trucwra en anillos: Abierto, cerrado. 1!3tructurll en mallas. Estructura en doble derivación. Estructura en derivación múltiple. 1!3tructura de alimentadores selecti-.

&tructuta radial La escruetura radial es la que más se etnplea, como se mencionó en párrafos anteriores, aunque su continuidad se encuentra limitada a una sola fuente: su sen-

cillet de operación y baj) Caraa de pequeña industrilí (bombas de agua, molinO$, etc.).

Los elementos principales en eSlll red (transformadores, cuchillas. secciona· dores. cables. ete.) se instalan en postes o estructuras de di:ltintos materiales .. La configuración más SCilla que se emplea para los alimentadores primarios es del tipo arbolar. consiste en conductores de calibre grueso en la troncal y de menor calibre en las derivaciones o ratnales. Cuando se desea mayor nex.ibilidsd y con· tinuidad es posible utilizar configuraciones más elaboradas. Los movimientos de carga se realizan con juegos de cuchillas de operación con carp, que se instalan de manera conveniente para poder efectuar maniobras tales como: tr3bajos de e-mergencia, ampliaciones de red. nuevos servicios. etc.

26

ESTIIUCTURAS DE MEDIANA TENSIÓN

"'f --O u

et.IJI-.Ifit

---.;o Fogura 2.3 Alimemodor

J.,,

""i>l abe lipóro

En servicio~ imponantes eo ron dos alimcntador..-s de la mi«ciooncnicnto, l~mulnuoentc oonncidns Cución del usuario. Despu~s del e,srudio técnico y análisis económico de las altemaúvas que debe incluir la modificación que esta carga tenga en la estroctura de la zona. se podrá seleccionar el tipo de alimentación óptimo para la carga. En las estructuras normalizadas que se utilizan figuran:

• Radial. • Anillo abierto. • Secundario selectivo. • Primario sclccah•o. • Mancha de red. Ul aplicación de un diseño en pnrtlculur se detenninará por el tipo de cargas. que se alimentarán y la zona en que se encuentre localizada éstn. Los diagramas esquemáticos de este tipo de alimentaciones de la compañía suministradora se ilustran en la figura 2.21. Cada uno de estos sistemas presenta c¡or:octcrísticas definidas que a cominuación se describen:

• Radial. La alimentación radial aérea o subterránea a un servicio de este tipo es naturalmente la menos compleja y su aplicación es limitada a serví-

47

AUMENTACtON DE ENERGIA ELtCTRICA

RADIAL

~-----------~~

ANILLO

ABIERTO

SECUNDARIO SE~ECTtVO

PAlMARIO SELECTtVO

N.C.

MANCHA

0€ REO CLAVE

N. C. -NORMAUlENiE CERRADO. N.A.-ItOAMALI.€NTE ASIERTO.

cios que no requieren gran continuidad, debido a que una falla en cual· quicr componente del sistema de alimentación primaria afectará a todos Jos consumidores conectados hasta que.se localke y se repare. En algunas ocasiones este diseno se emplea para alimentar consumidores aislados con trans· formadorc.s tipo pedestal o sumergible. • Anillo abierw. Este diseño ba sido empleado cxlcnsamcntc para aH mentar cargas comerciales y pequeiias cargas industriales imponantes. Consta de dos alimentadores radiales que se unen en un interruptor normalmeme abierto

48

ESTRUCTURA$ FUNDAMENTALES

dentro de la S. E. del consumidor. Una falla en un componeme de la red primaria puede ser seccionada o aislada de manera manual. El interruptor en el punto normalmente abierto se puede cerrar para reener¡iu.r el servicio interrumpido.

Tnbln 2.1 Comp.1rnción de

costo~

dG nlhncntución a grandes carga.( concentradas.

Costos (P. U.} Sisttmt1 tipa

Capacidad

Alim~nrm:.iúlf

tl) U.K. •") 1.2 . .. .1¡ 1.4 •.. r)

Ninguno.••

kW

20

1

15

10

4

8

12 ~1~uno

16

20

24

h

3.33

l'roblcmu 2 rura el $)I'Oblcma anterior li1S (Jenmndus pant ln.s interv:t]t)S tlc dc llUUHin de 6 horas. l 2 horas y 24 hnms. ad11titieoc1o que el 'nscunce inicial sc.a a las Cl.!rOh()J'nS, sontn n:spc:ctivamentc: 11)

S.O kW, 10.0 kW, 11 kW.

b) 6.6 kW , 11.6 kW. 10.8 kW. cómo es posible desarrollarla para encontrar las ecuaciones fuodamentales. En ocasiones es recomendable instalar circuitos de interconexión para reducir la caída de tensión; en este caso, ya no es posible hacer los cálculos de ca(da de tensión en la forma simplificada, siendo necesario el uso de las leyes de Kirchhof. Las siguientes ecuaciones, basadas en la figura 4.10, muestran en forma explícita lo antes c.xpuesto: (/·/ 1

·r)

+

(12 ·r(l- / 1))

+ [l)' r(/- / 1 - I,)]- [l.·l,·r) • O

(4.7)

130

PLANfACION V CALCULO 0 € REDES DE OISTRIBUCION

;o .:. . PAROUE

.

·~ ·

... \._,J. .'

D

PÚB~ICO

o

2

( O)

2

! a:t

l.s2

----~------~--------~~~)

r, • r,2 uli

lz

· ~,.

5

l¡ :

4

I 1 '•

'?'

~~

+134

• 3

'•

( b)

y ((/,- 1- l,j · /• ·r) [(/1 -

1 - /4

-

+ [(/,- 1 -

l. - /,) l, ·rl

1, - / 4) L. rl - (1. · 11 r] = O

+ (4.8)

131

CÁlCUl OS EN REDES DE CORRIENTE DIRECTA

l¡

f"IJIUra 4.10

Suponiendo que la< incógnitas sean dos corriente.< 1 e 1, . si

CONCEPTO DE IMPEDANCIA

_ 280 1e -- 280

X

143

200

+ 200 "'

56000

--;¡¡¡¡;--

~

lió

·67 m.

Asf la figura 4.19 quedará como la figura 4.20 C' .43 = 102.6 x 116.67 = 11970.34 116.67 + 310 426.67

= 28.05 kW

La cargá e·A3 se suma a la carga e A 3 transferida a A, de tal manera que la energía que nuyc desde A hacia la lfnca 3 quedará:

e"A3 =e A3

+

e • A3 = 15.33

+ 28.05 =

43.38 kW

CAe = Ck - C' A3 = 102.6 - 28.05 = 74.55 kW

C' A l =

CAe. 1,

t, + r,

C' Al = 74.55 X 280 = 20874 = 43 48 kW 280 + 200 480 .

El circuito

@

Uevará una carga de:

C" A2 = C A2 + (CAe - C' Al} kW

e·· A2

"' 22.86 + (74.55 - 43.48) - 22.86 + 31.07

C" A2

= 53.93 kW

El par en el nodo E será: C' Al f1

= 43.48 X 200 =

8696 kW- m.

Este valor es considerablemente menor al encontrado en el problema anterior. por lo que se confirma lo apuntado respecto a la menor caida de tensión que las redes malladas tienen con relación a las radiales o en anillo. Esto se confirmará en el capítulo 5, en doode se desarrolla el tema de redes malladas en baja. tensión . 4.3 CONCIWfO DE I MPEDANCI A La distribución de corriente alterna difiere fuodamentalmente de la co rriente di~ta

en que existen dos componentes de caída de tensión: una en fase con la

PLANEACtON Y CÁLCULO D E AEDES DE DISTRISUCJON

144

•

SE

,,

1'

12

ln 12 co•tz coa'f'0

lt

cos't1 Fl~urú

r--1

4.21

corriente debida a la resis1encia del cable y la mra en cuadrarura debida a la reactancia del mismo. Teniendo esto en cuenta, las técnicas hasta ahora consideradas pueden ser utilizadas para el cálculo de la caída de tensión en circuitos de distri· bución alterna: lo único que se tendría que hacer es reemplazar R por (R + JX) y las corrientes por 1 (cos;l,- 1 + 1 sen .Pt), donde cos .¡,, es el fac1or de potencia de la carga. Considérese un alimentador radial con las cargas / 1.. / 2••••• • 1•. tal como se muestra en la figura 4.21; la caída de tensión total en este caso será:

AV,

~

/ 1 (cos .¡,, - j sen.¡,,) /1 (R + jx) + !1 (cos .¡,, - j sen ,Y,) (1 1 + 11,) (R + M + ... + 1. (cos V,. - j sen .¡,, (11 + 11 + .. . + /,) R + jx

(4.20)

La cafda de tensión debida a la corricnle que fluye a 1111vés de la impedancia será:

(Icos>J,-j/sen,P) (R + jx) ~ Ricos>/¡+ x/sen..¡,+ Ú !cos.f- jR/sen>/1 Es posible demostrar que los últimos dos términos de esta ecuación son similares en la mayoría de los casos; por tanto, siendo XI cos..¡, = Rl sen..¡, la ecuación de caída de tensión se puede resumir como la suma aritmética .simplemente de dos componentes: una /cos>/1, que fluye por la resis1encia. y la debida a 1 sen >/1, por la reactancia del cable: así, la ecuación queda finalmente:

AV, = Ricos..¡, + x/senf

(4.2 1)

lo que trae como consecuencia una simplificación considerable en Jos cálculos finales. Esta simplificación se conCe como concepto de impedOJ1cia. Para aclamr este concepto se prescmu el siguiente ejemplo: Ejemplo 8 Calcular la caída de tensión IOta! de un alimentador de corriente alterna de baja tensión, como el que se mue1>tra en la figura 4.21, que tiene dos cargas: / 1 = 150 amp y Jp, ~ 0.707 y /2 ~ 100 amp y Jp 2 = 0.8. localizadas a ISO y 350m de la SE de 23000/220 volls. El cab.le que se utilizó en la instalación es de XLPE

CONCEPTO DE IMPEOANCIA

145

de ISO mm 1 . Aplicar en el primer cálculo la ecuación completa de caída de ten· sión y en el segundo el concepto de impedancia, compararlos e indicar el porciento de error en los cálculos: Solucián: a) Para un cable XLPE de 150 mm2 R = 0.148 oh.mslkm y X = 0.099

ohmslkm AV, = (150 cos 45° - ) 150 sen 45°) 150 (0.148 + j0.09)10- 3 + (lOO cos 36° .8-J 100 sen 36° .8) 350 (0.148 + j0.09)10 3 AV,= (106- j 106) (0.0222 ;t j0.0135) + (80- j59.9) (0.0518 + j0.0315) AV,= (2.331 + jl.417 - J 2.331 + 1.417) + (4.14 + j2.48-j3.1 + 1.856) =9.744-j 1.534 1 .6V, 1 = 9.86 volts. b)

AVx = 0.148 X J0- 3 X 150 X 0.7 X 150

+ 0.148

X

103

X

350

X

0.8

I0-3

X

350

X

0.6

X 100

.6V• = 2.331 + 4.144 = 6.475 AV, = 0.09 X J0-3 X 150 X 0.7 X 150

+ 0.09

X

100 AV,= 1.417 + 1.89 = 3.307 AV, = 6.475 + 3.307 = 9.782 volts. X

El porciemo de error será: % error

= 0.99

Por ranto, con esto se demuestra que la simplificación hecha es correcta. En redes con densidades de carga bajas, el área de los conducrores se determina generalmente por medio de la máxima caída de tensión permisible. La má· xima carga permisible con base en la temperatura máxima que sopone un conductor se toma importante únicamente en zonas de muy alta densidad de carga, como áreas comerciales o industriales. La caída de tensión permisible se estima generalmente que no debe ser mayor del 3% entre las terminales de baja tensión del transformador y las tenuinales o acometida del consumidor. En casos excepcionales, cuando no se justifique por la inversión que esto implique, se permiten caídas hasta del 7%. Las caídas dentro de los inmuebles del consumidor doméstico generalmente se consideran de un 2% adicionaL Generalmente la expresión de caídas de tensión se presenta en porciento en función del potencial aplicado en la red, de tal manera que la expresión general de la ecuación 4.21 se puede representar:

146

PLANEACION Y CALCULO DE REDES DE DISTRIOUCION

%. LlV = /(Reos

) x 100

(4.22)

co donde: V

= tensión de operación del circuito

Conociendo que P ; Vi cos ~

?:

.. );

95

);

z

1 20 150

1...

' 1-----1-- l-1-

.. ~

70

1

9

12

,_"" " -- - -_,_' .

~1¡,2

1,1:

g z

185 240 3 00

100000 K Wm

____.. Po r de cor,a Fl,j~tura 4.22 Área 'n.n)vtr~al de Ct}ndUC10re5 de robrt: y aluminio, par de cara•. \Ohajc de opcradón 2201J80 V pp • 0.9. tempcrtltura de operación dc:l tableccr no >ólo qué tensión de alimen1ación e~ conveniculc, sino además los bcnclicios que se oblicuen en lazona de distribución con este c.a mbio: menor caída de tensión, menos pérdida>. etc. P:lnicndo de la ecuación 4.41 se pueden desarrollar esta~ relacione!> >Uponoendo la densidad (D) y el calibre (Z) con>tantes.

E

ca -

1

oT e

E

~

K por lo que para las condiciones 1 y 2:

E, e,= K

y

e,= §. - K (4.49)

En la troncal de un ulimcntador: 1

E>

aa - 1

D•

para las condiciones dadas: 1

(l

~

t:1 l K

y

.!!L . a,

rE;

--JE,

(4.50)

La relación ale para las dos condiciones quedará entonces:

(4.51)

La relación entre las

área.~ de carga:

PLANEACION Y CALCULO DE REDES DE DISTRIBUCION

156

~A,

(§)'i

(4.52)

E1

La carga por circui1o sen!:

{4.53)

El número de circuitos: N, ·N.~

(~_•)'' ~

(4 .54)

Ejemplo 10 Encontrar las relaciones geomé1ricas y las condiciones de carga de un alimen· tador que pasa de 4000 a 12000 volts, y mostrar gnificamente estos cambios.

a, e /4 1 e; a; = .,J12 - F 1

~a = ..Jt rg=J3

~=

(3) 1

...3_ • (~) ot = 3 J3 w, 4

!!l..

=

1

A,

N1

+ .. 3 .,fj

(..!..)'t3 3J3" 1

La figura 4.26 muestra las siguientes relaciones:

• La longitud del alimentador troncal • La longitud de las derivaciones • La relación • El área de aUmentador

a, • el •

..J3 a, 3t"¡

ale - li./3

A,= 3 J3 A ,

ASPECTOS GENERALES PARA LA f'l.A¡..'EACION

r·-·

157

... ;, ~~~ -· ~ A.• ll.t'•o'l.

\

Fl~u rll4,26 Ex.ptuhl6n del ftre" KC:r\•ida P'lr \UIIIIim.;oultllh•r p, )"" =3 ....") 1>:

o,•·'' -

.J3 o,•"

3

DJ • 9 D1 lo 'f.Ut: ~ignifica que, manttnicndo cnn~tnntc el número ele circui«

-:-

e

(4.61)

Por tamo, para.un alimentador limitado térmicameme para una tensión y calibre dados puede afirmarse qué: 1 V-,-

o> donde

~Vr =;

(4.62)

l'

Para dos valores de tensión 1 y 2:

(4.63)

Relación entre·Ja.caída,.de ,tensión en· la .~roncal y las derivaciones en un allmentadl)r La relación entre In calda de tensión en la troncal y las derivaciones para una calda m(nima de tensión también puede ser determinada P,Ata un alimenlador térmicamente limitado. Recordando se tenía que:

.!!!::__ = de

ÍK,e - ' 4D· K,!y,;~ = ó e·

K,W' 4D' e'·· =, 2K,c Multiplicando ambos miembros por e y comparand~ con la ecuación general:

K,W' = 2K2c 2

40 2 e

ASPECTOS GENERAlES PA RA LA Pl.AHEAC10N

181

en donde:

KWlJ calda en la troncal e

- '- ,4D

J calda en las derivaciones

2X,c2

por tanto:

es decir, esla ecuación muestra que en un alirnenlador Hmilado térmicamente la calda de tensión mfnirna se alcanza cuando la calda en la troncal es dos veces la calda en las d rtdurida limitados tlnnicomtttt~

En aliment.a-S

e

o

a

!!...

Para una relación constante del prin· cipal al lateral, des· preciando la carda de voltaje en el la·

reral.

E

&·"" 0 ...