Autor: Arellano Miguel Centro de Ingeniería Eléctrica y Sistemas (CIES). FIIIDT.
Resumen
El Centro de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial (CIMECDI) a través de un programa de fortalecimiento de áreas de investigación y desarrollo financiado por el Gobierno Nacional, realizó la procura de equipos y máquinas para sus líneas de investigación y metal – mecánica. La incorporación al sistema eléctrico y puesta en operación de dichas máquinas requiere la adecuación eléctrica producto del incremento en la demanda.
El edificio del CIMECDI comprende áreas de oficinas y talleres, en los cálculos de la demanda total requerida fue necesario realizar un diagnóstico de las instalaciones eléctricas y con el uso de un analizador de redes eléctricas trifásicas (Marca Fluke / Modelo Fluke 435 Power Quality Analyzer) se evaluó por siete (7) días continuos el perfil de demanda eléctrica y el consumo de energía de acuerdo a lo establecido en las Normas de distribución del servicio de electricidad (Gaceta Oficial No. 38.006).
La capacidad instalada actualmente es de 150 kVA conformado por un banco de tres (3) transformadores monofásicos de 50 kVA cada uno y relación de transformación 12,47 kV / 208V-120V – 60 Hz. La demanda contratada a Corpoelec es de 119 kVA y del perfil de carga obtenido la demanda promedio oscila entre 30% y 50% de la capacidad instalada.
Producto del estudio realizado se determinó que la demanda requerida para la puesta en operación será de 760 kVA, por lo que fue seleccionado en conjunto con Corpoelec un transformador trifásico de 1.000 kVA 12,47 kV / 208V-120V y considerando normas nacionales e internacionales se dimensionó las acometidas eléctricas principales y ramales, dispositivos de protección, conductores de puesta a tierra de cada equipo, tableros eléctricos, y se elaboró además los planos eléctricos en formato CAD (diagrama unifilar, ubicación de equipos, tomacorrientes, iluminación, sistema de protección contra descargas atmosférica y puesta a tierra).
1. Introducción
El Centro de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial experimentó un incremento considerable en su demanda eléctrica debido a la incorporación de nuevos equipos electromecánicos y como consecuencia la capacidad eléctrica instalada no es suficiente para satisfacer la nueva demanda. Fue necesario una adecuación de la infraestructura eléctrica, tomando en consideración las cargas actuales y las nuevas contemplando el sistema de iluminación, acometidas de uso general y fuerza, sistemas de protección contra descargas atmosféricas y sistemas de puesta a tierra.
2.- Metodología implementada
- Realización del levantamiento de la información, planos, lista de los equipos, especificaciones técnicas, datos de placa, planos de ubicación, condiciones del sistema eléctrico actual.
- Elaboración de diagramas eléctricos unifilar actual y nuevo con el uso de la simbología estipulada en la norma COVENIN 398:1984, “símbolos gráficos para instalaciones eléctricas en inmuebles”.
- Elaboración de planos del edificio con la ubicación de las máquinas y los planos eléctricos, con el uso de la simbología estipulada en la norma COVENIN 398:1984, “símbolos gráficos para instalaciones eléctricas en inmuebles”.
- Diagnóstico del Sistema Eléctrico, demanda actual, consumo de energía eléctrica y capacidad instalada del banco de transformadores, utilizando un analizador de redes eléctricas.
- Diseño del sistema de protección contra descargas atmosféricas del edificio, siguiendo los estándares nacionales e internacionales como las normas FONDONORMA 599-2:2013 “Protección contra rayos. Parte 2: Evaluación del riesgo” y NFPA 780 “Standard for the installation of lightning protection systems” 2011.
- Caracterización del suelo y diseño del sistema de puesta a tierra del edificio, siguiendo lo establecido en la norma IEEE Std 142-2007 “recommended practice for grounding of industrial and commercial power systems” y usando la aplicación IPI2win, para obtener a partir de las mediciones efectuadas las características del suelo.
- Elaboración de cómputos métricos de las instalaciones eléctricas adecuadas a la nueva demanda y que comprenden iluminación, acometidas de uso general y fuerza, sistemas de protección contra descargas atmosféricas y sistemas de puesta a tierra, materiales y equipos.
3. Perfil de Carga (Demanda Eléctrica)
El Centro de Ingeniería Mecánica (CIMEC) cuenta con un banco de 3 transformadores monofásicos de 50 kVA cada uno (Total 150 kVA), adicionalmente presenta una acometida de 2 conductores por fase de 350 kcmil con una configuración de tres (3) Fases y un (1) Neutro para una tensión de servicio de 3x208V/120V (Y).
La cuenta contrato con la empresa distribuidora de electricidad (Corpoelec) para el período evaluado (Año 2.013: Enero – Diciembre), tiene una Demanda Asignada de 119 kVA. Sin embargo en las facturaciones (figura 1) se puede observar que la demanda promedio (Leída) oscila en un rango entre 40 kVA y 60 kVA (lo que representa entre un 33,61% y 50,42%).
Para constatar la información suministrada por CORPOELEC, se realizó una campaña de medición según lineamientos de la Gaceta Oficial No. 38.006 (Normas de Calidad de Servicio de Distribución de Electricidad) durante siete (7) días continuos (Período: 29/09/13 – 05/10/13). En esta actividad se utilizó un analizador de redes trifásicas marca “Fluke 435 PowerQualityAnalyzer (Serial DM9831033)”. La curva de demanda actual (figura 2) para el periodo de estudio antes mencionado se puede apreciar que la demanda máxima alcanzada es cercana a los 40 kVA (lo que representa un 33,61%).
Es importante destacar que en la demanda registrada, la carga predominante fue las áreas administrativas, ingeniería y de ensayos automotrices. El área del taller mecánico que presenta una carga instalada de 300 kVA aproximadamente no tuvo una gran contribución en este periodo debido al poco uso que tuvieron las máquinas que lo componen puesto que el mismo está en proceso de ampliación.
4. Cargas eléctricas
Debido a la escasa documentación técnica en el Centro de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial (CIMECDI), se realizó un levantamiento de información sobre las cargas eléctricas existentes y se elaboró el plano de diagrama unifilar cargas sin adecuación eléctrica (figura 3) y el plano de ubicación de máquinas en planta baja del edificio (figura 4).
Tomando en cuenta las cargas sin la adecuación eléctrica y las que serán incorporadas en el sistema eléctrico del edificio y contemplando la ubicación de los equipos, se procedió a realizar la distribución de las cargas (figura 5) en los diferentes tableros y sub-tableros eléctricos y en el plano de ubicación de las máquinas con adecuación eléctrica (figura 6). Siendo la demanda requerida de 760 kVA aproximadamente. En este caso se requiere de un transformador comercial de 1.000 kVA 12,47 kV / 208V-120V tipo pedestal o Pad-Mounted.
5. Caracterización del suelo y diseño del sistema de puesta a tierra y protección contra descargas atmosféricas
5.1 Medición de resistividad
Los sondeos eléctricos (figura 7) se realizaron con el uso del equipo Advanced Earth / Ground Tester GEO Modelo 1625, marca Fluke, serial S124807653B4; Para ello se seleccionó un área extensa que se encuentra en las cercanías del Taller del CIMEC y que permitiera el sondeo para una separación de electrodos aceptable (hasta 30 m de largo y 15m de ancho).
Los resultados de las mediciones y cálculos de resistividad son mostrados en el siguiente cuadro
Representando los datos en un gráfico (figura 8) Resistividad – Separación de electrodos arrojó como resultado el siguiente perfil de resistividad del suelo.
Con el uso programa de computación IPI2win (“diseñado para la interpretación semi-automática de datos de sondeo eléctrico vertical”), se procesaron los datos “E1” de mayor resistividad siendo el caso más desfavorable en sistemas de puesta a tierra y se obtuvo a partir de la gráfica la resistividad aparente de las mediciones, los valores de resistividad y profundidad por estratos (tabla 3).
Los parámetros del modelo para el punto de sondeo analizado (resistividades, espesores, profundidad del primer estrato) son presentados en una tabla de resultados del programa IPI2win, estos asumen automáticamente el modelo de dos capas que proporciona el mayor ajuste como modelo inicial para la interpretación del punto de sondeo.
Por las características de las curvas de resistividad aparente obtenidas de las mediciones se establece un suelo de dos estratos (biestratificado). La resistividad modelada por el programa IPI2win (resistividad teórica) se representa en color rojo, mientras que la medida está en color negro y en azul la representación de las dos capas del suelo.
5.2 Sistema de puesta tierra
Por la conveniencia de la arquitectura del lugar y las características del suelo, el electrodo seleccionado para el diseño es el de un cable horizontal desnudo en anillo alrededor del edificio. A continuación se determinan los detalles del mismo verificando que cumpla con el requisito de un valor de resistencia menor a los 5 Ω.
Para determinar la resistencia de la configuración seleccionada se emplea la ecuación:
Donde:
R: resistencia de puesta a tierra de un electrodo en anillo [Ω].
ρ: resistividad del terreno [Ω.m]
D: diámetro del anillo [m].
d: diámetro del cable [m].
s/2: profundidad del anillo [m].
Debido a los resultados y características del terreno analizadas en el punto anterior, se diseñará la configuración para el estrato uno. Sin embargo se recomienda realizar otras mediciones para constatar dicho perfil de resistividad aparente, resistividad por estratos y profundidades.
Basado en los resultados obtenidos, la configuración tipo anillo se diseñará a una profundidad menor a la del estrato superior ya que el mismo posee una menor resistividad, es por ello que se toma como profundidad del anillo (s/2) la mínima, es decir 0,75 m.
Trabajando a la profundidad constante definida previamente, se tendrá una resistividad (ρ) asociada de 26,1 Ω.m. El diámetro del anillo (D) vendría dado por la longitud del edificio más la separación que se tendría del mismo, esto es aproximadamente 62 m.
Según lo expresado en la tabla 250.66 de la norma COVENIN, el calibre del conductor del electrodo de puesta a tierra está relacionado con el calibre de la acometida principal, como la acometida está compuesta por un arreglo de 9 conductores por fase de 500 kcmil el calibre del electrodo deberá de ser de 3/0
AWG, lo que implicaría un diámetro del cable (d) igual a 0,01575 m.
Evaluando estos datos en la ecuación anterior da como resultado:
En la norma IEEE (80:2000) [15] se mencionan valores referenciales de resistencias de PAT. Para el caso de protección contra una descarga atmosférica la resistencia de PAT no debe superar los 10 Ω . Lo cual indica que el diseño cumple con el criterio.
El diseño se basa en un electrodo de puesta a tierra, compuesto por un conductor calibre #3/0 AWG, sólido desnudo, SBTC y enterrado a una profundidad de 0,75 m, a lo largo de todo el edificio del CIMEC (figura 10).
El conductor de puesta a tierra (PAT) se conectará directamente a la barra de puesta a tierra del tablero principal ubicado en el cuarto eléctrico a través de un cable de cobre trenzado, THHN, 90 ºC calibre #3/0 AWG canalizado por una tubería de 2” de diámetro, PVC.
Los tableros, el transformador y las bandejas porta cables se conectarán a tierra mediante la barra de puesta a tierra del tablero principal a través de su respectivo cable y las estructuras metálicas del edificio deberán conectarse al electrodo de puesta tierra mediante soldaduras exotérmicas tal y como se muestra en el “Plano de Sistema de Puesta a Tierra. El valor de la resistencia de puesta a tierra determinada es de 1,11 Ω.
5.3 Sistema de protección contra descargas atmosféricas
El diseño fue realizado mediante el método de la esfera rodante con lo que se determinó la zona de protección del CIMEC para un radio de protección de cuarenta y cinco (45) metros.
El diseño consta de dos vistas, la vista de planta, donde se presenta la ubicación y
el tipo de elemento de protección utilizado, así como los radios de protección asociados a estos, la ubicación de los conductores de bajada y las conexiones con el sistema de puesta a tierra; y la vista de corte, que muestra la ubicación de los elementos de protección y el área de protección con respecto a una persona de altura igual a dos (2) metros.
Conclusiones
La capacidad instalada actualmente en el CIMEC es de 150 kVA, con una configuración de 3 transformadores de 50 kVA cada uno, para una “Demanda Contratada” a CORPOELEC de 119 kVA. De las campañas de medición efectuadas e información obtenida de las facturaciones del servicio eléctrico, se tiene que el mismo presenta un consumo entre el 30% y 50% de la “Demanda Contratada”.
El transformador requerido es un trifásico tipo padmounted de 1.000 kVA, fue seleccionado de acuerdo al estudio de cargas del CIMEC, contemplando una reserva estimada del 20% y su uso será exclusivo para las instalaciones del CIMEC.
En el diseño se logró el correcto dimensionamiento de los conductores de los circuitos ramales y acometidas, considerando su longitud, capacidad de corriente, caída de tensión y capacidad de cortocircuito.
De acuerdo al estudio realizado es necesario la instalación de un sistema contra descargas atmosféricas, en donde el diseño obtenido consta de 33 puntas Franklin, aisladores soportes y 8 conductores. Para el diseño se utilizó el método de la esfera rodante, para un radio de 45 m, cumpliendo además con las distancias máximas establecidas por la norma NTF 599:2013.
El sistema de puesta a tierra diseñado consta de un electrodo compuesto por un conductor calibre #3/0 AWG, sólido desnudo, SBTC y enterrado a una profundidad de 0,75 m, a lo largo de todo el edificio del CIMEC. El valor de la resistencia de puesta a tierra determinada es de 1,11 Ω, para obtenerla se usó el valor de resistividad del suelo conseguido a partir de las medidas efectuadas y simulaciones con el software IPI2win.
Referencias.
[1] CIMEC. “Diseño industrial para el escalamiento productivo de partes, piezas e insumos de la industria nacional”. Fundación Instituto de Ingeniería para Investigación y Desarrollo Tecnológico. 2012.
[2] PDVSA 90619.1.050, Análisis de Cargas, Venezuela, 1993
[3] PDVSA N-201, Obras Eléctricas, Venezuela, 2010
[4] COVENIN2249-93 “Iluminancias en tareas y áreas de trabajo”.
[5] Penissi, O. (2001) “Canalizaciones Eléctricas Residenciales”. Séptima Edición.
[6] CÓDIGO ELÉCTRICO NACIONAL. FONDONORMA 200:2009 (8va REVISIÓN). Caracas 2009.
[7] IEEE Std. 998, Guide for DirectLightningStrokeShielding of Substations, 2002.
[8] FONDONORMA 599-2:2013 “Protección contra rayos. Parte 2: Evaluación del riego”. 2012.
[9] NFPA 780. “Standard for the installation of lightning protection systems”.Edición 2011.
[10] IEEE Std 142-2007 (Revision of IEEE Std 142-1991)“IEEE recommended practice for grounding of industrial an commercial powersystems”. Edición 2007.
[11] IEEE (80:2000). Guide for safety in AC substation grounding.-New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2000.
Contacto: arare12345@gmail.com