Seccin 2: Clculos Justificativos

"ELECTRIFICACION RURAL LA MERCED DISTRITO DE SAN LUIS DE SHUARO, PROVINCIA DE CHANCHAMAYO JUNIN"

PARTE II: REDES SECUNDARIAS

CALCULOS JUSTIFICATIVOS

INDICE

1CALCULOS ELECTRICOS1.1Consideraciones de Calculo1.1.1Normas Aplicables1.1.2Caractersticas Elctricas del Sistema1.1.3Configuracin Topolgica1.1.4Demanda de potencia de cargas de servicio particular1.1.5Factor de potencia (Cos )1.1.6Factor de simultaneidad1.1.7Nivel de aislamiento1.2Clculo de impedancias de conductores1.2.1Clculo de resistencia elctrica del conductor1.2.2Clculo de reactancia inductiva1.3Clculo de cada de tensin y perdidas de potencia y energa1.3.1Clculo de cada de tensin1.3.2Cada de tensin y perdida de energa1.4Cargas de alumbrado pblico y seleccin de luminaria ptima1.4.1Cargas de alumbrado pblico1.4.2Seleccin de luminaria ptima1.5Calculo de la resistencia de puesta a tierra del sistema2CALCULOS MECANICOS2.1Consideraciones de calculo2.1.1Distancias de Seguridad2.2Clculo mecnico de conductores2.2.1Hiptesis de estado2.2.2Esfuerzos permisibles en los conductores2.2.3Clculo de cambio de estado2.3Seleccin y clculo de prestaciones de las estructuras2.3.1Clculos mecnicos de estructuras2.3.2Prestacin de estructuras2.4Calculo de Cimentacion de Estructuras2.5Clculo mecnico de retenidas3ANEXOS

"INSTALACION DEL SISTEMA ELECTRICO RURAL SAN LUIS DE SHUARO LA MERCED DISTRITO DE SAN LUIS DE SHUARO, PROVINCIA DE CHANCHAMAYO JUNIN"

PARTE II: REDES SECUNDARIAS

SECCION H: CALCULOS JUSTIFICATIVOS

CALCULOS ELECTRICOS

Consideraciones de Calculo

Normas Aplicables

Para la elaboracin del presente Expediente Tcnico Conforme a Obra se ha tenido en cuentas las siguientes normas y publicaciones:

Cdigo Nacional de Electricidad Suministros 2011 Ley de Concesiones Elctricas N 25844 Reglamento de la Ley de Concesiones Elctricas N 25844 RD 017-2003-EM: Alumbrado de Vas Pblicas en Areas Rurales. RD 020-2003-EM: Especificaciones Tcnicas de Montaje de Redes Secundarias con Conductor Autoportante para Electrificacin Rural. RD 023-2003-EM: Especificaciones Tcnicas de Soportes Normalizados para Lneas y redes Secundarias para Electrificacin Rural. RD 025-2003-EM: Especificaciones Tcnicas para el Suministro de Materiales y Equipos de Redes Secundarias para Electrificacin Rural. RD 030-2003-EM: Especificaciones Tcnicas para levantamientos Topogrficos para Electrificacin Rural. RD 031-2003-EM: Bases para el Diseo de Lneas y redes Secundarias con Conductor Autoportante para Electrificacin Rural.

Se ha desarrollado, en conformidad a las prescripciones de las Normas Tcnicas de la Direccin General de Electricidad para Electrificacin Rural y el Cdigo Nacional de Electricidad Suministro 2011.

Caractersticas Elctricas del Sistema

Las localidades de los distritos beneficiados tienen suministro monofsico y para efectos de clculo elctrico de las redes de servicio particular y alumbrado pblico, se ha definido las siguientes caractersticas particulares del sistema:

Sistema: Sistema monofasico con retorno por tierra (MRT).Conductores: Autoportante de AAAC aislado.Neutro portante: Aleacin de aluminio desnudo funcin mecnica y elctricaTensin nominal entre fases: 440/220 VTensin fase neutro: 220 V.Frecuencia nominal: 60 Hz.Altitud : de 500 m.s.n.m.(Mnimo) a 1561 m.s.n.m. (Mximo)

La tensin de servicio de las cargas monofsicas del servicio particular y de alumbrado pblico es de 220 V medida entre un conductor de fase y el neutro.

Configuracin Topolgica

En el diseo de las redes secundarias se tom en cuenta las siguientes consideraciones para definir su configuracin topolgica:

Ubicar los circuitos de modo, que deben alejarse de la subestacin en forma radial, evitando que stos regresen a la subestacin a fin de disminuir la cada de tensin.

Los circuitos en lo posible deben ir ubicados en un solo frente de una calle.

Se debe evitar colocar postes en las esquinas, porque estos puntos constituyen lugares peligrosos por la probabilidad de colisin de vehculos.

Se debe evitar el cruce de circuitos de diferentes subestaciones.

En las localidades con configuracin urbano-rural, en lo posible se deber ubicar los circuitos aprovechando los postes de redes primarias.

Demanda de potencia de cargas de servicio particular

La calificacin elctrica para servicio particular, se ha determinado considerando los resultados del estudio de mercado elctrico y los valores establecido en la Norma DGE RD031-2003-MEM.

Para la clasificacin de localidades tambin se ha tenido en cuenta su grado de desarrollo socioeconmico, acceso a las vas de comunicacin y configuracin urbana, entre otros, y con estas premisas las localidades corresponden al tipo II (400 W/lote).

Localidades Tipo II:Calificacin elctrica por lote de 400 W/lote.Cargas de Uso General: Las cuales pueden ser colegios, escuelas, Pronoei, centros de salud, postas mdicas, locales comunales, oficinas comunales, capillas e iglesias.

Para el caso de centros de salud, posta mdica y colegio se ha asignado una calificacin elctrica de 1000 W/lote.Para el caso de escuelas, locales comunales, oficinas comunales, capillas e iglesias, se ha asignado una calificacin elctrica de 1000 W/lote. El factor de simultaneidad utilizado para las cargas particulares o de uso domstico es 0,5.Factor de potencia (Cos )

Para cargas de servicio particular:1,00 Para cargas de alumbrado pblico:0,90

Factor de simultaneidad

Cargas de servicio particular:0,50Cargas de alumbrado pblico:1,00

Nivel de aislamiento

Para determinar el nivel de aislamiento se consider las condiciones de operacin del sistema:

Sistema: Autoportante.Tensin nominal del sistema:440/220 VContaminacin ambiental:LIGERO

El nivel de aislamiento entre fases en ningn caso ser inferior a 10 Megaohm y entre fase y tierra en ningn caso ser inferior a 5 Megaohm.

Clculo de impedancias de conductores

La impedancia de los conductores es una magnitud que mide cmo un circuito conduce fcilmente la corriente cuando un voltaje funciona con l, esta impedancia depende de la resistencia y reactancia del conductor.

Clculo de resistencia elctrica del conductor

r40 C= r20 C [ 1 + (t2 - 20)]

Donde:r 40 C =resistencia elctrica del conductor a 40 Cr 20 C= resistencia elctrica del conductor a 20C= Coeficiente de correccin de temperatura 1/C: 0,0036t2= 40 C

Clculo de reactancia inductivaXl=0,1746 log DMG RMG Donde:DMG=Distancia media geomtricaRMG=Radio medio geomtricoLos factores de cada de tensin se muestran en el Cuadro N 1.2.2

Cuadro N 1.2.2 Parmetros y Factores de Cada de Tensin de los Cables Autoportantes

FormacinResistencia del conductor de fase (Ohm/fase)Resistencia del conductor de alumbrado pblico (Ohm/km)Resistencia del conductor neutro (Ohm/km)Reactancia Inductiva(Ohm/km)Factor de Cada de TensinCapacidad de corriente a 40 C

A 20 CA 40CA 20 CA 40CA 20 CA 40CXL (3)XL (1)K (380-220 V)K (440-220 V)K (220 VAP)Cond. FaseCond. A.P.

2x25+16/251,21,2851,912,0451,381,4780,0930,1093,7763,2728364

2x16+16/251,912,0451,912,0451,381,4780,0960,0963,5383,7653,2726464

2x16/251,912,0451,381,4780,09637653,27264

1x16/251,912,0451,381,4780,0943,27264

Clculo de cada de tensin y prdidas de potencia y energa

Clculo de cada de tensin

La frmula para calcular redes areas es la siguiente:

V =k x I x L x 10-3Donde:

I=Corriente que recorre el circuito, en AL=Longitud del tramo, en mK=Factor de cada de tensin

Para circuitos trifsicos k= 3 (r1 cos + X1 Sen )Para circuitos monofsicos k= 2 (r2 cos + X2 Sen )

Cada de tensin y prdida de energa

La cada mxima de tensin entre la subestacin de distribucin y el extremo terminal ms alejado de la red no deber exceder el 7% de la tensin nominal, es decir:

Sistema 440/220 V:30,8V Sistema 380/220 V:26,6V Sistema 220 V:15,4V

Y la prdida de energa no mayor a 3%.

Los clculos de cada de tensin y prdidas de energa se presentan en el Anexo 1.

Cargas de alumbrado pblico y seleccin de luminaria ptima

Las localidades que presentan configuracin urbana definida, compuesta de plaza y calles, tienen carga de alumbrado pblico. Pero estn restringidas a la plaza principal, calles importantes y en la ubicacin de las subestaciones de distribucin.

Las localidades que solo tienen alumbrado pblico en la subestaciones de distribucin, son aquellas con grupos de viviendas que no presentan an configuracin urbana o son incipientes. Estas viviendas estn generalmente situadas a lo largo de carreteras, caminos de herradura o dentro de chacra de los propietarios.

Cargas de alumbrado pblico

Las lmparas de alumbrado instalados son las de Vapor de Sodio de Alta Presin y tienen las caractersticas que se muestra en el siguiente cuadro:

LAMPARAS DE ALUMBRADO PBLICO

Tipo deLmparaPotencia(W)Prdidas(W)Potencia Total(W)

Vapor de Sodio501060

El factor de simultaneidad para alumbrado pblico es FS = 1.

Seleccin de luminaria ptima

Se determina un consumo de energa mensual por alumbrado pblico de acuerdo a la frmula:CMAP = KALP x NUDnde:

CMAP : Consumo mensual de alumbrado pblico en kWhKALP : Factor de AP en kWh/usuario-mesNU : Nmero de Usuarios de la localidad

El Factor KALP es el correspondiente al Sector Tpico 5: KALP = 6.3

Para calcular el nmero de puntos de iluminacin se debe considerar una potencia promedio de lmpara de alumbrado y el nmero de horas de servicio mensuales del alumbrado pblico (NHMAP). Se aplica la siguiente frmula:

PI = (CMAPx1000) / (NHMAPxPPL)

Dnde:

PI: Puntos de IluminacinCMAP: Consumo mensual de alumbrado pblico en kWhNHMAP: Nmero de horas mensuales del servicio alumbrado pblico (horas/mes)PPL: Potencia nominal promedio de la lmpara de alumbrado pblico en watts

La cantidad de puntos de iluminacin (PI) en el caso de ser decimal se debe redondear al entero inferior. El nmero de horas mensuales del servicio de alumbrado pblico (NHMAP) depender de su control de encendido y apagado:

Tipo de control NHMAP (horas/mes ) Clula fotoelctrica 360 Horario Nmero de horas diarias programadas multiplicada por 30

La potencia nominal promedio de la lmpara de alumbrado pblico (PPL) comprende la potencia nominal de la lmpara ms la potencia nominal de sus accesorios de encendido (50+10 W).

El nmero de horas diarias de alumbrado pblico considerado debe estar comprendido entre 8 y 12 horas.

La cantidad de Luminarias por Localidad se muestra en el Anexo 2.

Clculo de la resistencia de puesta a tierra del sistema

El adecuado diseo de las Puestas a tierra en Redes Secundarias busca garantizar la seguridad de las personas, de los equipos y lograr una adecuada operacin de los sistemas.

Se ha normalizado valores mximos de resistencias de puesta a tierra en lneas y redes primarias, redes secundarias y subestaciones de distribucin; aplicando para este fin las ms actualizadas normas internacionales y analizando los principios fsicos que dan lugar a tales requerimientos.

En las redes secundarias para sistemas 440/220 V, el neutro de la red estar conectado a tierra en la subestacin y adems tendr como mnimo una conexin a tierra cada 150 a 200 m, ubicados principalmente en los puntos de derivacin y al final de los circuitos de servicio particular.

En este sistema multiaterrado, la resistencia de puesta a tierra del neutro en los puntos ms desfavorables estando conectada todas las puestas a tierra, sin incluir las puestas a tierra de la subestacin de distribucin, ni del usuario, en localidades aisladas o zonas rurales es de 10 ohms (CNE 2011).

La configuracin de la puesta a tierra para todas las localidades es PAT-1, que consiste de un electrodo con sus respectivos accesorios.

CLCULOS MECNICOS

Consideraciones de clculo

Distancias de Seguridad

Para el diseo de las redes secundarias se respet las alturas mnimas sobre la superficie del terreno, las definidas para zonas rurales, las distancias mnimas requeridas se presenta a continuacin:

En lugares accesibles slo a peatones:5,0 m En zonas no accesibles a vehculos o personas:3,0 m En lugares con circulacin de maquinaria agrcola:6,0 m A lo largo de calles y caminos en zonas urbanas:6,0 m En cruce de calles, avenidas y vas frreas:6,5 m En cruce de calles y caminos en zonas rurales:5,5 m A lo largo de calles y caminos en zonas rurales:5,0 m

Clculo mecnico de conductores

Hiptesis de estado

Los clculos mecnicos de conductores tienen la finalidad de determinar las tensiones y flechas en las diversas condiciones de operacin., y se han calculado sobre la base de las prescripciones de la Norma DGE RD031-2003-MEM y las condiciones climatolgicas del rea del proyecto.

Por otro lado, teniendo en cuenta la zonificacin del territorio del Per y las cargas definidas por el Cdigo Nacional de Electricidad Suministro 2011, se ha planteado las siguientes hiptesis:

HIPOTESIS 1A:Condicin de mayor duracin (EDS inicial)-EDS inicial:18 %-Temperatura:26C-Velocidad de viento:Nula-Sobrecarga de hielo:Nula

HIPOTESIS 2:De mxima Velocidad de Viento-Temperatura:26C-Velocidad de viento:80km/h -Sobrecarga de hielo:0mm

HIPOTESIS 3:De mxima Temperatura-Temperatura : 50C-Velocidad de viento :nula-Sobrecarga de hielo : nula

HIPOTESIS 4:De mnima Temperatura-Temperatura : 13C-Velocidad de viento :40km/h -Sobrecarga de hielo: 0mm

Esfuerzos permisibles en los conductores

El esfuerzo del conductor portante de aleacin de aluminio es en todos los casos, de 52,3 N/mm2, aproximadamente 18% del esfuerzo de rotura del conductor.

El esfuerzo mximo del conductor no superar 176 N/mm2.

Se analiz los diversos esfuerzos en el conductor en la condicin EDS, considerando todas las cargas a fin de que el esfuerzo en el conductor portante no sobrepase lo mximo admitido, al final se llego a la siguiente conclusin:

Vanos normales: 52,3 N/mm2 (18% del Esfuerzo de rotura del conductor)Vanos flojos: 20 N/mm2 (7% del Esfuerzo de rotura del conductor)

La definicin de los esfuerzos en los vanos ha sido para reducir los esfuerzos mximos y no sobrepasar los lmites establecidos para estos conductores.

Clculo de cambio de estado

Los clculos de cambio de estado se han efectuado mediante la ecuacin cbica cuya expresin matemtica es:

T32 - [ T1 - dEW1 - E (t2 - t1)] T2 = d EW 24 S T1 24 S2

Donde:

Ti = Esfuerzo en el conductor en el punto ms bajo, para la condicin i, en N/mm.D= Vano de clculo, en m.E= Mdulo de elasticidad final del conductor, en kg/mmS= Seccin del conductor en mmWi= Carga en el conductor en la condicin iTi= Temperatura en la condicin i = Coeficiente de dilatacin (1/C)

Debern considerarse longitudes de vanos desde 16 m hasta 70 m con incrementos de vano de 2 m y desde 70 m hasta 130 m con incrementos de vano de 5 m.

a.Clculo de la flecha mxima (f)

La flecha viene dada por:

Se han considerada longitudes de vanos desde 16 m hasta 90 m con incrementos de vano de 2 m y desde 70 m hasta 130 m con incrementos de vano de 5 m.

b.Clculo del peso total del conductor en la hiptesis I (Wr)

N/m

N/m

Wc =Peso propio del conductor (N/m)V =Velocidad del viento (km/h)D =Dimetro exterior del conductor (m)Pv =Peso adicional debido a presin del viento (N/m)K =Coeficiente de las superficies cilndricas (0,0042)

Los resultados de clculo mecnico de conductores se presentan en el Anexo 3.

Seleccin y clculo de prestaciones de las estructuras

Clculos mecnicos de estructuras

Las estructuras han sido diseadas para soportar las cargas verticales, transversales, longitudinales y aplicacin simultanea de dichas cargas. Estos clculos tienen por objeto determinar las cargas mecnicas en los postes, cables de retenidas y sus accesorios, de tal manera que en las condiciones ms crticas, es decir, a temperatura mnima y mxima velocidad de viento no se superen los esfuerzos mximos previstos en el Cdigo Nacional de Electricidad Suministro 2001 y Norma DGE RD031-2003-MEM.

Para el clculo mecnico de estructuras en hiptesis de condiciones normales, se han considerado las siguientes cargas:

Cargas Horizontales: Carga debida al viento sobre los conductores y las estructuras y carga debido a la traccin del conductor en ngulos de desvo topogrfico, con un coeficiente de seguridad de 2.

Cargas verticales: Carga vertical debida al peso de los conductores, aisladores, peso adicional de un hombre con herramientas y componente vertical transmitida por las retenidas en el caso que existieran, con un coeficiente de seguridad de 2.

Cargas Longitudinales: Cargas producidas por diferencia de vanos en cada conductor.

Sobre la base de los anlisis de los factores mencionados se ha definido que todos los postes sern de 9,14 m. En todas las estructuras con retenidas se han verificado las cargas verticales a fin de compararlas con la carga crtica y verificar la falla del poste por pandeo.

La retenida se anclar con un ngulo mnimo a la parte superior del poste de 30.

2.3.1.1Factores de seguridad

Los factores de seguridad respecto a la carga de rotura, en condiciones normales, sern las siguientes:

Postes de concreto:2 Postes de madera :3 Cables de retenida:2 Accesorios de ferretera:2

No se efectuarn clculos en condiciones de emergencia, es decir, con rotura de conductor.

2.3.1.2Caractersticas de las estructuras

Las estructuras utilizadas son postes de concreto armado centrifugado con las siguientes caractersticas:

Altura:8m. Carga de trabajo a 0,15 m de la cima :Poste de C.A.C. de 8 m/200, 8/300 y de 11/200 daN (Incluye perilla) Largo de empotramiento:1.4m Longitud til:6.6 m Longitud activo:6.4 m. Dimetro en lnea de tierra:0.24 m. Dimetro en la cabeza:0,12 m Flecha mxima :0,90 m. Distancia punta del poste :0,20 m. Altura mnima:5,00 m. Al cruce de calles y caminos:5,50 m.

El conductor autoportante se encuentra a 0,20 m de la punta del poste. Se tom en cuenta conductores autoportantes para las condiciones ms crticas de las siguientes formaciones:

2.2.1.3Frmulas aplicables para clculo de estructuras

Momento debido a la carga del viento sobre los conductores:

MVC = (PV) (L) (fC) (SHi) Cos( a/2) Momento debido a la carga de los conductores:

MTC = 2 (TC) (S Hi) sen ( a/2)MVP = [ (PV) (h2) (Dm + 2 Do]/600

Momento total en condiciones normales:

MRN = MVC + MTC + MVP

En los postes de ngulo y terminales provistos de retenidas se calcularon todas las cargas verticales incluyendo las transmitidas por las retenidas y se comparar con la carga crtica del poste determinada por la siguiente frmula:

Pcr = p2 E I (Kl)2

Donde:

Pv=Presin del viento sobre superficies cilndricasL=Longitud del vano, en mTC=Carga del conductor portante en NfC=Dimetro total del cable autoportante, en ma=Angulo de desvo topogrfico, en gradosDo=Dimetro del poste en la cabeza, en cmDm=Dimetro del poste en la lnea de empotramiento, en cmh=Altura libre del poste, en mH=Altura de la carga en la estructura respecto al suelo, en mWc=Masa total del cable autoportante, en kg/mWAD=Peso de un hombre con herramientas, igual a 1000 N.C=Circunferencia del poste en lnea de empotramiento, en cmE=Mdulo de Elasticidad del poste, a kN/cm2I=Momento de inercia del poste, en cm4l =Altura respecto al suelo del punto de ubicacin de la retenida en el poste.K =Factor que depende de la forma de fijacin de los extremos del poste.

En el Anexo 4, se presentan los resultados del clculo mecnico de las estructuras.

Prestacin de estructuras

Para definir las prestaciones (vanos mximos por distancias mnimas de seguridad).Los resultados de la prestacin de estructuras para vanos normales a 18% del esfuerzo de rotura del conductor y vanos flojos con 6,89% del esfuerzo de rotura del conductor, considerando la configuracin del conductor, se presentan en el Anexo 4.

Calculo de cimentacin de Estructuras

El clculo de las cimentaciones de los postes se basa en su estabilidad, para ello se utiliza el mtodo de Sulzberger; este mtodo se aplica segn la capacidad portante del tipo de terreno con los parmetros obtenidos de las muestras ensayadas, en base al informe geotcnico, donde se efectu la instalacin de los Postes de Redes Secundarias.

En el Anexo 5, se presentan los resultados del clculo de las cimentaciones, donde los postes son enterrados directamente al terreno y el relleno se realiz con la base de Material Clasificado-Propio compactado, es decir, sin macizo de concreto, debido a las condiciones del terreno.

Clculo mecnico de retenidas

Para el diseo de la cimentacin de la retenida, se emple el mtodo de fuerzas en un elemento en equilibrio. La cimentacin para la retenida se compone de una excavacin prismtica, de dos secciones: triangular y rectangular. Sobre la varilla metlica de la retenida actuar una fuerza de traccin, la cual tratar de arrancar el bloque de concreto enterrado en el extremo de la varilla.

Para el clculo de retenidas se consider cable de acero grado SIEMENS-MARTIN de 10 mm de dimetro. El ngulo de inclinacin respecto del cable de retenida respecto al eje vertical es de 30.

a.Bases de clculo

El cable de la retenida es de acero con una carga de rotura mnima de 30,92 kN.

La retenida debe soportar la carga mnima ocasionada por el tiro longitudinal de los conductores y sin exceder al 50% de su carga de ruptura (c.s. = 2). Estos para postes terminales de derivacin.

b.Clculo de retenida en poste terminal

Se tienen en cuenta los siguientes factores:

hp:Altura de fijacin de la retenida (m)l:Altura de la fuerza equivalente(m):Angulo de la retenidaTr:Tiro de roturae :Distancia del pie de la retenida al poste(4m) :Arc tg e/hp

Por condicin de equilibrio el momento resultante producido por la Fe y la componente longitudinal de la retenida Fr es nulo alrededor del punto de empotramiento:

Los resultados de los clculos mecnicos de retenidas se presentan en el Anexo 6.