centros transformacion

Universidad de Castilla La Mancha

TECNOLOGA ELCTRICACURSO 2010/2011

Tema 2. Diseo de las Instalaciones Elctricas2.2. Centros de transformacin Natalia Alguacil CondeDepartamento de Ingeniera Elctrica, Electrnica, Automtica y Comunicaciones Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Industriales

Contenidos1. Introduccin 2. Clasificacin de los centros de transformacin 3. Esquema general de conexin de un CT a la red de distribucin 4. Diseo del transformador de un centro de transformacin

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1. IntroduccinEstacin transformadoraModificacin de los parmetros de potencia elctrica (tensin y corriente) Medio de interconexin entre diferentes puntos de un sistema elctrico de potencia

Tipos de estacin transformadoraSubestaciones Cabinas, puestos, transformacin casetas o centros de

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IntroduccinTransformacin desde Alta Tensin (AT > 132 kV): Red de distribucin de la compaa suministradora (3, 6, 10, 11, 15, 20, 25, 30, 45, 66 kV) media tensin (MT)

Hasta Baja Tensin (BT 1000 V): 400 V trifsica, 230 V fase-neutro.4

IntroduccinCentros de transformacinLa instalacin provista de uno o varios transformadores reductores de Media a Baja Tensin, con sus aparatos y obra complementaria precisos - [Reglamento sobre Condiciones Tcnicas y Garantas de Seguridad en Centrales Elctricas y Centros de Transformacin] Interfaz entre la red de distribucin y la red de baja tensin Elementos fundamentales:Transformador Aparatos de corte y de maniobra (interruptor y seccionador) Aparatos de proteccin (rels) Aparatos de medida5

IntroduccinReglamento sobre Condiciones Tcnicas y Garantas de Seguridad en Centrales Elctricas y Centros de Transformacin e I.T.Cs. UNE-EN 60694. Construccin de centros de transformacin de obra civil. Normas comunes para aparamenta de alta tensin. UNE-EN 61330. Construccin de centros de transformacin prefabricados e integrados. UNE-EN 60076-2. Requisitos de calentamiento de centros integrados. UNE-EN 60517. Aparamenta bajo envolvente con aislamiento gaseoso para V72,5 kV en CTs prefabricados e integrados. UNE-EN 60298. Aparamenta bajo envolvente metlica para corriente alterna y 1V52 kV en CTs prefabricados e 6 integrados.

2. Clasificacin de centros de transformacinPuede hacerse segn varios criterios: Tipo constructivo Tipo de alimentacin Propietario

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Clasificacin de centros de transformacinSegn el tipo constructivo

El tipo constructivo depende de: Espacio disponible Potencia requerida (tamao del transformador) Coste Prctica de las empresas instaladoras Subclasificaciones: Por la acometida en media tensin Por el emplazamiento de sus aparatos

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Segn la acometida en media tensin: Mediante lnea area (zonas rurales) Mediante cable subterrneo (zonas urbanas) Segn el emplazamiento de sus aparatos: Exterior o de intemperie Interior o bajo envolvente (en superficie subterrneo)

o

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Exterior o de intemperieToda la aparamenta se sita al aire libre De potencia ms baja que los CT bajo envolvente (transformador de potencia no superior a 160 KVA) Se montan en recintos vallados y separados, o sobre poste La aparamenta de proteccin y maniobra se distribuye sobre diferentes apoyos que garantizan el aislamiento y las solicitaciones trmicas y mecnicas Su uso se limita a suministros de escasa potencia como: Pequeo polgono industrial Zonas rurales Suministros provisionales10


Exterior o de intemperie

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Interior o bajo envolventeInstalados en recintos cerrados Habituales en zonas urbanas La envolvente aloja: transformador, equipos de medida, proteccin y utilizacin, aparamenta de MT y BT, interconexiones y equipos auxiliares Funciones de la envolvente: proteccin frente a acciones externas y proteccin de personas y bienes

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Interior o bajo envolventeTipos: Subterrneos. Pueden estar situados bajo la va pblica o en el stano de los edificios. De superficie. Sus accesos estn en el mbito de calle y existen dos tipos: En local o integrado: En el interior del propio edificio se habilita un local con el fin de hacer la funcin de centro de transformacin Independiente. Aislado de cualquier edificacin, y puede ser prefabricado de hormign, o de obra civil

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Interior o bajo envolventeCeldas prefabricadas con envolvente metlica: Recintos especiales o casetas prefabricadas Mejor control de la ejecucin y de la calidad de la instalacin, ms fcil verificacin de normas. Construccin compacta y modular que facilita el mantenimiento y la sustitucin de partes averiadas Permiten la salida de gases (cortocircuito) Ms numerosas Dimensiones reducidas (SF6) Celdas de obra Mayores dimensiones (dielctrico: aire) Normalmente son semicerradas14


Interior o bajo envolvente

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Centro de transformacin prefabricado Centro de transformacin de obra civil

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Clasificacin de centros de transformacinSegn el tipo alimentacinEn antena, en el extremo de una red de MT, zonas alejadas y aisladas

De paso, conectados a la misma lnea de MT, anillo abierto

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Clasificacin de centros de transformacinSegn el tipo alimentacinDoble alimentacin, conectados a 2 lneas de MT mayor seguridadMT 1

MT

MT 2

BT

Centro de transformacin

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Clasificacin de centros de transformacinSegn el propietario del CTPropiedad de la compaa suministradora:Alimenta mltiples abonados en BT, medida en BT Dimensiones reducidas Acceso restringido Transformadores SN1kVA CT prefabricado Habitual en instalaciones residenciales, comerciales y administrativas

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Clasificacin de centros de transformacinSegn el propietario del CTPropiedad del abonado:Propietarios de la instalacin de BT, medida en MT Hecho a medida, CT de obra civil Acceso compartido Mayores protecciones Celda de medida En algunos, el mantenimiento a cargo de la compaa suministradora Habitual en complejos industriales, centros comerciales, edificios de oficinas

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3. Esquema general de conexin de un CT a la red de distribucinE P M

I

I

U

1

C

2

3

Lnea de la red pblica Lnea de la red pblica Cable de conexin

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Esquema general de conexin de un CT a la red de distribucinE: Celda de entrega de la energa. El uso es exclusivo de la empresa distribuidora P: Celda de proteccin general. Esta celda contiene el interruptor-seccionador general del CT y el sistema de proteccin M: Celda de medida. Esta celda es accesible tanto a la empresa distribuidora como al cliente I: Celdas dedicadas a lneas en media tensin U: Celda que constituye el punto de entrega de la energa C: Punto de entrega de la energa 1: Sistema de medida 2: Interruptor general del CT 3: Celda presente slo en un CT con dos lneas de alimentacin23

Esquema general de conexin de un CT a la red de distribucin

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4. Diseo del transformador de un centro de transformacinParmetros fundamentales de un transformador de potencia:Potencia nominal Potencia de emergencia Tensiones nominales y relacin de transformacin Grupo de conexin e ndice horario Tensin de cortocircuito Tipo de refrigeracin

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Diseo del transformador de un centro de transformacinSeleccin de la potencia nominalDependiente del nivel de tensinA mayor potencia nominal, mayor nivel de tensin AT/MT: de 10 a 100 MVA; MT/MT: entre 2 y 20 MVA; MT/BT: entre 25 y 3000 kVA

Dependiente de la carga a alimentarSi la carga es conocida (teorema de Boucherot): S T = Pi + Qi i i 2 2

No son necesariamente las potencias nominales de la propia carga (consultar tablas). Es muy comn que los motores estn sobredimensionados (entre el 15 y el 30%) Factor de utilizacin, Ku, para cada carga o para cada grupo de cargas similares Factor de simultaneidad, Kc, a partir de las interacciones 26 funcionales entre los procesos (diseo ms ajustado)

Diseo del transformador de un centro de transformacinSeleccin de la potencia nominalFactores de utilizacinTipo de carga Lmparas Motores de 0.5 a 2 kW Motores de 2 a 10 kW Motores de ms de 10 kW Hornos elctricos Convertidores Ku 1 0.7 0.75 0.8 1 1 Tipo de carga Mquinas de soldadura Calefaccin elctrica Mquinas herramientas y cintas Ascensores y montacargas Bombas y ventiladores Ku 0.7 a 1 1 0.6 a 0.8 0.8 a 1 1

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Diseo del transformador de un centro de transformacinSeleccin de la potencia nominalCaractersticas de motores trifsicos de induccin de 400 VPN (kW) 0.55 1.1 2.2 5.5 7.5 11 15 30 45 90 Rendimiento nominal N 2p = 2 70 77 82 85 87 87 89 90 92 92 2p = 4 71 74 78 84 86 88 89 91 93 94 2p = 6 70 74 78 84 84 88 89 91 92 94 Factor de potencia nominal cos N 2p = 2 0.80 0.85 0.85 0.88 0.88 0.88 0.88 0.88 0.89 0.89 2p = 4 0.80 0.81 0.83 0.85 0.85 0.86 0.88 0.83 0.85 0.86 2p = 6 0.73 0.75 0.74 0.76 0.75 0.78 0.82 0.84 0.85 0.8528

Diseo del transformador de un centro de transformacinSeleccin de la potencia nominalFactores de simultaneidad para sistemas industrialesTipo de carga Hornos Motores de 0.5 a 2 kW Nmero de cargas hasta 2 hasta 10 hasta 20 hasta 50 hasta 10 hasta 50 hasta 5 hasta 10 hasta 50 hasta 2 hasta 5 hasta 10 Kc 1 0.6 0.5 0.4 0.7 0.45 0.8 0.65 0.5 0.9 0.7 0.6 Tipo de carga Convertidores Mquinas soldadura Ascensores montacargas Alumbrado de Nmero de cargas hasta 10 hasta 10 hasta 4 hasta 10 Kc 0.8 0.4 0.7 5 0.6 0.8

Motores de 2.5 a 10 kW

y

Motores de 10 a 30 kW

---

Motores de ms de 30 kW

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Diseo del transformador de un centro de transformacinSeleccin de la potencia nominalFactores de simultaneidad para viviendasNmero de viviendas Menor o igual que 3 de 4 a 9 de 10 a 14 De 15 a 19 20 o ms de 20 Kc 1 0.8 0.7 0.6 0.5

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Diseo del transformador de un centro de transformacinSeleccin de la potencia nominalConocidas cargas, factores de utilizacin y simultaneidad, y potencias reactivas se calcula la potencia aparente del transformador Los transformadores de MT/BT se construyen con potencias normalizadas y parmetro tpicos Potencia nominal entre 20 y 30% mayor que la potencia de las cargas (errores con la factores, margen de seguridad si aumenta la carga)

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Diseo del transformador de un centro de transformacinSeleccin de la potencia nominalPotencias normalizadas de transformadores para CT y parmetros tpicosPotencia nominal SN (kVA) 50 100 160 200 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3000 Corriente de vaco I0 % 8 7 6 5.5 4.5 4 4 3.5 3.5 3.2 3 3 3 3 3 Corriente de conexin Ic (x IN) 15 15 13 13 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 Tensin de cortocircuito Vcc% 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 Prdidas en ncleo PFe (W) 370 580 800 900 1200 1520 1700 1840 2140 3000 3400 4000 4700 5900 6900 Prdidas en devanados a carga nominal PCu (W) 1000 1890 2730 3190 3980 5320 6230 7150 9990 10300 12180 15400 17200 21900 25800 32

Ejemplo 1La potencia estimada de un sistema industrial es 4300 kVA. Determinar el tamao del transformador del centro de transformacin del sistema.

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Diseo del transformador de un centro de transformacinDeterminacin de la potencia de emergenciaNmero de transformadores depende de Capacidad de sobrecarga de cada transformador (30% por encima de su potencia nominal para condiciones normales de temperatura externa) Potencia que puede deslastrarse sin perjuicio para el sistema Sea: S la potencia aparente total del sistema n el nmero de transformadores del CT SN = S/n la potencia de cada transformador en condiciones normales la reserva de potencia en p.u. del centro de transformacin SE la potencia de emergencia de cada transformador34

Diseo del transformador de un centro de transformacinDeterminacin de la potencia de emergenciaSi 1 transformador est fuera de servicio (balance de potencias)

(1 ) S = 1.3 (n 1) SEFactor de aprovechamiento del transformadors= SN 1.3 (n 1) 100 = 100 SE n (1 )

Para evitar sobredimensionado en condiciones normales de funcionamiento, se suele imponer s 80%, si = 0.2 n 2 Para n = 3 y = 0.2, se obtiene que SE < SN. El mximo de n est limitado slo por razones econmicas (coste de los transformadores, interruptores, etc.)35

Ejemplo 2Calcular el factor de aprovechamiento, la potencia nominal y la potencia de emergencia para una instalacin de potencia total S, reserva de potencia = 0.2, y 2 y 3 transformadores, respectivamente.n 2 3 SN 0.5S SE 0.615S s 81% 108%

0.333S 0.307S

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Diseo del transformador de un centro de transformacinEleccin de la relacin de transformacinRelacin estndar MT de distribucin de red pblica: 15, 20 30 kV BT: 400 V Nivel de tensin puede variar entre 5 y 10% segn zona

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Diseo del transformador de un centro de transformacinEleccin de la relacin de transformacinProblemas en sistemas industriales con motores de induccin (par mecnico de depende del cuadrado del mdulo de la tensin)Transformadores con tomas para regular la tensin secundaria en las subestaciones (AT/MT o MT/BT) Regulacin manual (o en vaco) se usa slo espordicamente para compensar variaciones permanentes de la tensin de la red de alimentacin respecto a su tensin nominal Regulacin automtica (o en carga) para eliminar las fluctuaciones de la tensin de la red. Es costosa y delicada y no se suele utilizar. Fluctuaciones de tensin se deben tener en cuenta en la fase de diseo de las acometidas del sistema de baja tensin alimentado por el CT38

Diseo del transformador de un centro de transformacinEleccin del grupo de conexin del transformadorRelacionado con el tratamiento del neutro en el sistema de alimentacin y en el sistema a alimentar En Europa la mayora de los sistemas de distribucin tienen el neutro aislado. Por otro lado, en baja tensin el neutro puede estar a tierra (con o sin resistencia de tierra), siendo relativamente inusual encontrar el neutro aislado Por tanto, el grupo de conexin de los transformadores para centros de transformacin es generalmente Dyn. Obsrvese que este grupo permite la circulacin de las corrientes homopolares y las confina en el lado de baja tensin.

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Diseo del transformador de un centro de transformacinEleccin de la tensin de cortocircuitoCada de tensin aproximada por frmula de Kapp (p.u.)v = v CCRi'2 cos 2 + v CCXi'2 sen2

Corriente de cortocircuito aproximada (p.u) 1 iCC = v CC Tensin de cortocircuito grande cada de tensin grande Tensin de cortocircuito pequea corriente de cortocircuito grande En la prctica est entre el 3 y el 7%

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Diseo del transformador de un centro de transformacinEleccin del tipo de refrigeracinFluido interno, aislante elctrico en contacto con los devanados Fluido externo, intercambia calor con el primero y no entra en contacto con los devanados Conveccin natural (N) o forzada (F) Cdigo estndar internacional de cuatro letras: Primera letra: fluido refrigerante interno O: aceite mineral o sinttico con punto de combustin menor que 300 C K: fluido con punto de combustin mayor que 300 C L: fluido con punto de combustin no determinado41

Diseo del transformador de un centro de transformacinEleccin del tipo de refrigeracinSegunda letra: mecanismo de circulacin del fluido interno: N F Tercera letra: fluido refrigerante externo A: aire. W: agua. Cuarta letra: mecanismo de circulacin del fluido externo: N F

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Ejemplo 3Disear un transformador para el CT de una pequea planta industrial. La planta est dividida en tres secciones A, B y C, como se muestra en la Tabla. La seccin A alimenta a motores de induccin, una bomba y alumbrado; la seccin B, ventiladores, hornos elctricos y alumbrado; y la seccin C, oficinas. La compaa de distribucin debe proporcionar los parmetros principales para el diseo del centro transformacin, su proteccin y su puesta a tierra: Tensin nominal: 15 kV. Potencia de cortocircuito en el punto de suministro: 500 MVA. Corriente de falta a tierra: 150 A (tiempo de eliminacin 0.9 s).

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Ejemplo 3

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Ejemplo 3Potencia nominal: 630 kVA Tensin nominal primaria: 15 kV Tensin nominal secundaria: 400 V Tensin de cortocircuito: 5% Grupo de conexin: Dyn11 Refrigeracin: ONAN

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BibliografaCaptulo 4: A. Conejo, J. M. Arroyo, F. Milano, N. Alguacil, J. L. Polo, R. Garca Bertrand, J. Contreras, A. Clamagirand, L. Lpez. Instalaciones Elctricas. McGraw-Hill, Madrid, 2007. ISBN: 978-84-481-5639-8

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BibliografaCaptulo 7: R. Guirado, R. Asensi, F. Jurado, J. Carpio. Tecnologa Elctrica. McGraw Hill, Madrid, 2006. ISBN: 84-481-4807-X

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