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Revista digital informativa de sistemas de distribucion electrica
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ED
ICIO
N 2
00
1
Revista Informativa sobre Sistemas de Distribución
¿Sabe usted
que hacer ante
una Caída de
Tensión?
Todo sobre :
Protecciones
Diseños para
Sistemas
“Haciendo del mundo nuestro campo de trabajo”
Caídas de Tensión
Diseño de Sistemas de Distribución
Coordinación de Protecciones
descubrimientos
análisisconocimientos
mediciones
Caída de Tensión
La tensión eléctrica o diferencia de potencial (en
algunos países también se denomina voltaje) es
una magnitud física que cuantifica la diferencia
de potencial eléctrico entre dos puntos. También se
puede definir como el trabajo por unidad
de carga ejercido por el campo eléctrico sobre
una partícula cargada para moverla entre dos
posiciones determinadas, donde dicho diferencial
puede ser medido con un voltímetro.
La tensión es independiente del camino recorrido por la
carga y depende exclusivamente del potencial
eléctrico de los puntos A y B en el campo eléctrico, que
es un campo conservativo.
Llamamos caída de tensión de unconductor a la diferencia de
potencial que existe entre los
extremos del mismo. Este valor se
mide en voltios y representa el gasto
de fuerza que implica el paso de la
corriente por ese conductor. Así
mismo, la caída de tensión es
medida frecuentemente en tanto
por ciento de la tensión nominal de
la fuente de la que se alimenta.
Por lo tanto, si en un circuito alimentado a 400 Voltios
de tensión se prescribe una caída máxima de tensión
de una instalación del 5%, esto significará que en dicho
tramo no podrá haber más de 20 voltios, que sería la
tensión perdida con respecto a la tensión nominal.
No existe un conductor perfecto, pues todos presentan una
resistividad al paso de la corriente por muy pequeña que sea,
por este motivo ocurre que un conductor incrementa la
oposición al paso de la corriente, a medida que también va
aumentando su longitud. Si esta resistencia aumenta, por
consiguiente aumenta el desgaste de fuerza, es decir, la caída
de tensión.
Podríamos decir que la caída de
tensión de un conductor viene
determinada por la relación que
existe entre la resistencia que
ofrece este al paso de la
corriente, la carga prevista en el
extremo más lejano del circuito y
el tipo de tensión que se aplicará
a los extremos.
CALCULOS DE LA CAIDA DE TENSION
Ya entrando en el campo de trabajo, en un sistema de
distribución generalmente se calculan las caídas de voltaje
aplicando un criterio conocido como : “criterio de calculo
para líneas cortas” , que son todas aquellos cálculos en
donde se desprecia el efecto de la capacitancia en los
conductores
Fijándonos entonces en el siguiente diagrama vectorial y en
el diseño del circuito (despreciando la capacitancia en los
conductores) podremos deducir la existencia de la ecuación
para el calculo de la caída de tensión:
Circuito
CALCULOS DE LA CAIDA DE TENSION
Es = Tensión de suministro en V
Er = Tensión en la Carga en V
I = Corriente circulante en el
conductor
X= Reactancia equivalente del
conductor en Ω
R= Resistencia del conductor
De donde logramos intuir que:
En esta ecuación se puede despreciar la componente
reactiva de ES cuando los valores de IR e
IX no exceden un 10%, como sucede usualmente, por lo
que la caída de voltaje por fase resulta:
Para sistemas monofásicos
Para los sistemas monofásicos, se
necesita tomar en cuenta que la
caída de tensión ocurre en un
conductor de ida y otro de retorno.
En este caso nuestra caída de tensión viene expresada
por:
Finalmente introduciendo los valores de KVA y KV,
obtenemos:
Para sistemas trifásicos
El estudio de la caída de
tensión trifásica se hace a
través de un equivalente
monofásico.
El desarrollo de las ecuaciones es igual al mostrado en
la caída de tensión monofásica, y la ecuación final es:
En este caso, los sistemas trifásicos se suponen equilibrados y
la corriente circulante por el neutro
igual a cero, por lo tanto, la ecuación anterior refleja la
caída de tensión de un conductor.
Coordinación de Protecciones
El problema de Protección de los Sistemas Eléctricos de
Distribución ha venido adquiriendo cada vez mayor
importancia ante el crecimiento acelerado de las redes
eléctricas y la exigencia de un suministro de energía a
los consumidores con una calidad de servicio cada vez
mayor.
El objetivo de las protecciones dentro de un sistema de
distribución eléctrica es la detección, localización y
aislamiento de las fallas evitando daños al sistema y
permitiendo que la menor cantidad de usuarios queden
sin servicio.
Para asegurar que esto se cumpla es necesario
seleccionar los equipos de protección apropiados y
determinar los ajustes que les deben ser colocados
resultado de un estudio de coordinación que debe
realizarse entre ellos.
RELE DE SOBRECORRIENTE
Los relés de sobre corriente son los tipos
más simples de los relés de protección.
Como su nombre lo indica, y como todo
elemento de protección visto hasta el
momento, tiene como finalidad operar
cuando la corriente en la parte del
sistema donde se ubica alcanza valores
superiores a un valor predeterminado o
mínimo de operación. Existen dos tipos
básicos de relés de sobre corriente: los de
tipo de operación instantánea y los de
tipo de operación retardada.
Los relés de sobrecorriente instantáneos operan sin retardo
cuando la corriente excede de un valor preestablecido; sin
embargo, el tiempo de operación de estos tipos de relés
pueden variar significativamente (desde 0.016 a 0.1 seg.)
Los relés de sobrecorriente con retardo poseen
características de operación tal que el tiempo varía
inversamente con la magnitud de la corriente que detecta.
La figura muestra características de los tipos de relés de
sobrecorriente más comúnmente usados, y éstos son tres:
inverso, muy inverso y extremadamente inverso.
RECONECTADORES
El reconectador es un interruptor con
reconexión automática, instalado
preferentemente en líneas de
distribución.
Es un dispositivo de protección capaz de
detectar una sobrecorriente, interrumpirla
y reconectar automáticamente para
renergizar la línea. Está dotado de
un control que le permite realizar varias
reconexiones sucesivas, pudiendo
además, variar el intervalo y la secuencia
de estas reconexiones.
De esta manera, si la falla es de carácter permanente
el reconectador abre en forma definitiva después de
cierto número programado de operaciones, de modo
que aísla la sección fallada de la parte principal del
sistema.
La tarea principal de un reconectador entonces es
discriminar entre una falla temporal y una de carácter
permanente, dándole a la primera tiempo para que se
aclare sola a través de sucesivas reconexiones; o bien,
sea despejada por el elemento de protección
correspondiente instalado aguas abajo de la posición
del reconectador, si esta falla es de carácter
permanente.
SELECCIONALIZADORES
El seccionalizador es un
dispositivo de protección que
aísla automáticamente las fallas
en las líneas de distribución. Se
instala necesariamente aguas
abajo de un equipo con
reconexión automática. Para
fallas ocurridas dentro de su
zona de protección, el
seccionalizador cuenta las
aperturas y cierres efectuadas
por el equipo dotado de
reconexión automática
instalado aguas arriba y de acuerdo a un ajuste previo,
abre en el momento en que el reconectador está abierto;
es decir, el seccionalizador cuenta los impulsos de corriente
de Falla que fluyen en el sistema, ajustándose para que
abra después de un determinado número de pulsos que
pueden ser uno, dos o tres como máximo. Siempre debe
ajustarse para un pulso menos que el número de
operaciones del reconectador asociado. Se usan a
menudo en lugar de desconectadores fusibles en
arranques donde es necesario reponer el servicio
rápidamente y donde no se justifica el uso de otro
reconectador en serie. No tienen curvas características de
operación tiempo-corriente y se coordinan con los
reconectadores, como se verá más adelante, simplemente
por sus corrientes nominales y sus secuencias de operación.
FUSIBLES
El fusible es el medio más sencillo de
interrupción automática de corriente en
caso de cortocircuitos o sobrecargas. En
baja tensión se encuentran hasta de 600 A
y de 250 a 600 Volt. En este rango, la
exigencia es que soporten continuamente
la corriente nominal y que se fundan en un
tiempo máximo de 5 minutos con un 15%
de sobrecarga. En alta tensión, se
encuentran hasta de 400 Amperes y de 10
a 138 kV, con potencias de 0,1 a 20 MVA.
En general, un fusible (Figura 6.1) está
constituido por un elemento sensible a la
corriente (en adelante, elemento fusible) y
un mecanismo de soporte de éste.
El elemento fusible se funde cuando circula por él, una
corriente peligrosa durante un tiempo determinado. El
mecanismo de soporte establece rápidamente una
distancia eléctrica prudente a fin de minimizar el tiempo
que dura el arco.
COORDINACION ENTRE DISPOSITIVOS
En general, los conceptos básicos de coordinación de los
elementos de protección en alimentadores de distribución
radial, pueden resumirse en dos:
* El dispositivo de protección más próximo a la falla (local)
debe despejarla, sea ésta permanente o transitoria, antes
que el dispositivo de respaldo opere si este no tiene
reconexión automática o antes que agote las
reconexiones en caso de tenerlas.
* Las interrupciones deben restringirse al mínimo en fallas
permanentes, tanto en el tramo de la línea conectada
como en el tiempo de duración.
Como se dijo, el fusible es normalmente usado en la
protección de transformadores, por este motivo interesa
su coordinación en este caso. Al proteger un
transformador, el fusible podría estar coordinado con
otros fusibles o con relés de tiempo extremadamente
inverso, dado que para una buena coordinación, las
curvas tiempo corriente deben ser similares. En este caso,
es necesario trabajar con las curvas características
tiempo-corriente tanto para los relés como para los
fusibles, con el fin de realizar el proceso de coordinación
Coordinación Fusible-Fusible
Coordinación entre Reconectador y Fusible
Se pueden distinguir dos casos, reconectador-fusible y
fusible-reconectador. En ambos, se usa el método de
trazado de curvas del reconectador y del fusible, con el fin
de obtener el rango de corrientes de cortocircuito en que
existe coordinación.
Coordinación Reconectador-Fusible
En este caso el reconectador deberá detectar las fallas
ocurridas en su zona y también las de la zona del fusible.
Por lo tanto, el fusible debe operar después de la
característica rápida y antes de la lenta del reconectador,
Coordinación Fusible-Reconectador
Para el estudio de coordinación en este caso, es
necesario considerar las fallas en el lado carga del
reconectador, para lo cual se deben referir las curvas de
tiempo mínimo de fusión del fusible ubicado en el lado
de alta del transformador, al voltaje del lado de baja
tensión, donde está ubicado el reconectador.
Coordinación entre Reconectador y Relés
Esta coordinación es muy común en subestaciones donde
el nivel de cortocircuito en la barra de alimentadores
primarios es de 250 kVA o mayor, cuando se usan
interruptores en el origen de alimentadores, con
reconectadores en el troncal o en arranques importantes.
Los alimentadores son protegidos mediante interruptores,
comandados por relés de sobrecorriente de tiempo
extremadamente inverso. El relé debe ser ajustado de
manera que detecte y de orden de aclaramiento para
todas las fallas que ocurran dentro de la zona del
alimentador, hasta la ubicación del primer reconectador,
pero, no obstante, debe tener un retardo suficiente de
manera que no operen simultáneamente.
Coordinación entre Reconectador y Seleccionalizador
Para coordinar un reconectador con un seccionalizador
no se requiere hacer análisis de curvas de tiempo-corriente
debido a que el seccionalizador no tiene este tipo de
curvas; sólo cuenta pulsos de corriente de falla y se ajusta
para que abra luego de un determinado número de
pulsos, como máximo, uno menos que el número de
operaciones del reconectador ubicado aguas arriba y en
el momento en que éste está abierto
DISEÑO DE SISTEMAS
Todo sistema eléctrico de distribución esta constituido
normalmente por un numero de subestaciones, cada una
de las cuales tiene un numero de alimentadores que
distribuye la energía a los consumidores. La zona servida
por la totalidad de los alimentadores de una subestación
conforma lo que se denomina “área de servicio de la
subestación”. Debido al cambio y normal crecimiento del
consumo eléctrico, la carga total de un área podría llegar
a exceder la capacidad de la subestación.
Esto podría expandirse o en otro caso el exceso de carga
podría ser transferido a la siguiente subestación con lo que
seria necesario ubicar una nueva subestación. El
planificador, por consiguiente, se encuentra con el
frecuente problema de determinar la mejor estrategia de
expansión del sistema para así mantenerlo
permanentemente adaptado, evitando así el desarrollo de
capacidades ociosas.
SISTEMAS DE DISTRIBUCION PRIMARIA
El sistema primario consiste de circuitos llamados
alimentadores primarios o alimentadores de distribución,
los cuales salen de la barra de la subestación y sirven los
primarios de cada transformador de distribución.
Las partes principales que constituyen este tipo de
distribución seria: un troncal, sus ramales y los
subramales.
Sabiendo esto, el planificador determinara el diseño
mas adecuado de los que se mencionan a
continuación:
Sistema Radial Simple
Este tipo de sistema es el mas sencillo de todos y el
menos costoso donde la alimentación del mismo, ocurre
desde un solo punto. En cuanto a la corriente, esta
disminuye en la medida en que nos alejamos del punto
de alimentación y en consecuencia disminuye el
tamaño del conductor.
Pero este sistema a pesar de ser tan simple tiene sus
desventajas, por ejemplo, si se produce una falla a la
salida del circuito, dicha falla dejara sin servicio a la
totalidad de las cargas; además si la falla ocurre en
cualquier otro punto del sistema la falla de las demás
cargas dependerá de la ubicación de los dispositivos
de protección empleados para dicho sistema.
Sistema Expreso Centro de Cargas
Se caracteriza porque la subestación de distribución se
encuentra fuera del centro de carga; donde la
conexión entre ellos se da a través de un ramal del
circuito que va desde la subestación hasta el centro o
Expreso. Este centro no contiene transformadores de
distribución y de el salen ramales en cuatro direcciones
incluyendo la que va hacia la subestación.
La subestación es la que regula el voltaje y además se
utiliza el mismo conductor tanto para ramales como
para subramales
Sistema en Anillo
Este tipo de sistemas se caracteriza porque son cíclicos
donde su recorrido comenzaría desde la subestación,
recorriendo todo el área de carga y regresando
nuevamente al punto de partida, en donde los
circuitos ramales se conectan al anillo para cubrir toda
el área y además se colocan seleccionalizadores por
todo el troncal.
Todos los seleccionadores colocados trabajaran
normalmente cerrados, menos el de enlace.
Si el enlace opera en
N.A cada mitad del
circuito funciona
como radial simple,
pero si opera en N.C
el circuito podrá ser
alimentado en dos
direcciones
diferentes
Sistema Network o Mallado
Es un sistema que esta conformado por alimentadores
primarios interconectados, que tiene múltiples
subestaciones, en donde cada circuito radial sale de las
interconexiones y en donde los transformadores están
conectados de dichos circuitos y de los alimentadores.
Son poco frecuentes en la planificación pero constan
con la ventaja de que la caída de tensión y las perdidas
son menores en comparación con los otros sistemas
DISEÑO DE SISTEMAS SECUNDARIOS
Dichos sistemas se encuentran ubicados entre los sistemas
primarios de distribución y la red final de consumidores.
Esta constituido por transformadores de uso múltiple,
circuitos secundarios, medidores y acometidas.
Los mas empleados serian:
Sistemas Radiales
Son del mismo tipo que los sistemas radiales para
distribuciones primarias, salvo que estos logran
adaptarse de acuerdo a la geometría del sector
servido.
Sistema en Banking
Tiene como principal punto la utilización de varios
transformadores para su alimentación y conectados en
paralelos con otros secundarios que están alimentados a
su vez por un único circuito primario. Las cargas serán
distribuidas con un mínimo de caídas y también serán
mínimas la cantidad de fluctuaciones
La capacidad de cada transformador mejor por efecto
de la variedad de cargas presentes con lo cual trae
mayor confiabilidad en el sistema.
Además permite la adición de nuevos transformadores
intermedios lo que permite manejar el crecimiento de
cargas de manera mas flexible.
Sistema Mallado
Este tipo de sistema es el mas seguro para los de tipo
secundario, pero a su vez, es el mas costoso. Como
transformadores están conectados a dos o mas circuitos
primarios, este sistema ofrece una protección contra
fallas originadas en los sistemas primarios.
Además los transformadores están conectados también a
la red secundaria a través de interruptores automáticos o
protectores de red
Si por algún motivo
ocurre una falla o
cortocircuito dentro
de este sistema, el
problema o falla se
vería limitado por
fusibles en las líneas
secundarias.
Esta revista
digital
informativa
fue
elaborada
por Daniela
Gorrin
estudiante
de la
carrera de
Ingeniería
Electrica y
cursante
actual de
Sistemas de
Distribución
de la
Universidad
Fermín Toro
Sede de
Ingeniería
Cabudare
ED
ICIO
N 2
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