Universidad de Castil Castilla la – La Mancha Mancha
TECNOLOGÍA ELÉCTRICA CURSO 2009/2010
Tema 2. Diseño de las Instalaciones Eléctricas 2.2. Centros de transformación Raquel García Bertrand Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, Automática y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
Contenidos 1. Introducción 2. Clas Clasif ific icac ació ión n de los los cent centro ros s de trans transfo form rmac ació ión n 3. Esqu Esquem ema a gen gener eral al de cone conexi xión ón de un CT a la la red red de distribución 4. Dise Diseño ño del del tra trans nsfo form rmad ador or de un cent centro ro de transformación
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Contenidos 1. Introducción 2. Clas Clasif ific icac ació ión n de los los cent centro ros s de trans transfo form rmac ació ión n 3. Esqu Esquem ema a gen gener eral al de cone conexi xión ón de un CT a la la red red de distribución 4. Dise Diseño ño del del tra trans nsfo form rmad ador or de un cent centro ro de transformación
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1. Introducción Estación transformadora
Modificación de los parámetros de potencia eléctrica (tensión y corriente)
Medio de interconexión entre diferentes puntos de un sistema eléctrico de potencia
Tipos de estación transformadora
Subestaciones
Cabinas, puestos, casetas o centros de transformación
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Introducción
Transformación desde Alta Tensión (AT
≡ > 132 kV):
Red de distribución de la compañía compañía suministradora suministradora (3, 6, 10, 11, 15, 20, 25, 30, 45, 66 kV) ≡ media tensión (MT)
Hasta Baja Tensión (BT fase-neutro.
≡ ≤ 1000 V): 400 V trifásica, 230 V 4
Introducción Centros de transformación “La instalación provista de uno o varios transformadores reductores de Media a Baja Tensión, con sus aparatos y obra complementaria precisos” - [Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad en Centrales Eléctricas y Centros de Transformación]
Interfaz entre la red de distribución y la red de baja tensión
Elementos fundamentales:
Transformador
Aparatos de corte y de maniobra (interruptor y seccionador)
Aparatos de protección (relés)
Aparatos de medida 5
Introducción
Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad en Centrales Eléctricas y Centros de Transformación e I.T.Cs.
UNE-EN 60694. Construcción de centros de transformación de obra civil. Normas comunes para aparamenta de alta tensión.
UNE-EN 61330. Construcción de centros de transformación prefabricados e integrados.
UNE-EN 60076-2. Requisitos de calentamiento de centros integrados.
UNE-EN 60517. Aparamenta bajo envolvente con aislamiento gaseoso para V≥72,5 kV en CT’s prefabricados e integrados.
UNE-EN 60298. Aparamenta bajo envolvente metálica para corriente alterna y 1≤V≤52 kV en CT’s prefabricados e integrados.
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2. Clasificación de centros de transformación Puede hacerse según varios criterios:
Tipo constructivo
Tipo de alimentación
Propietario
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Clasificación de centros de transformación Según el tipo constructivo
El tipo constructivo depende de:
Espacio disponible
Potencia requerida (tamaño del transformador)
Coste
Práctica de las empresas instaladoras
Subclasificaciones:
Por la acometida en media tensión
Por el emplazamiento de sus aparatos
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Clasificación de centros de transformación Según el tipo constructivo
Según la acometida en media tensión:
Mediante línea aérea (zonas rurales)
Mediante cable subterráneo (zonas urbanas)
Según el emplazamiento de sus aparatos:
Exterior o de intemperie
Interior o bajo envolvente (en superficie o subterráneo)
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Clasificación de centros de transformación Según el tipo constructivo
Exterior o de intemperie
Toda la aparamenta se sitúa al aire libre
De potencia más 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 protección y maniobra se distribuye sobre diferentes apoyos que garantizan el aislamiento y las solicitaciones térmicas y mecánicas
Su uso se limita a suministros de escasa potencia como:
Pequeño polígono industrial
Zonas rurales
Suministros provisionales 10
Clasificación de centros de transformación Según el tipo constructivo
Exterior o de intemperie
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Clasificación de centros de transformación Según el tipo constructivo
Interior o bajo envolvente
Instalados en recintos cerrados
Habituales en zonas urbanas
La envolvente aloja: transformador, equipos de medida, protección y utilización, aparamenta de MT y BT, interconexiones y equipos auxiliares
Funciones de la envolvente: protección frente a acciones externas y protección de personas y bienes
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Clasificación de centros de transformación Según el tipo constructivo
Interior o bajo envolvente Tipos:
Subterráneos. Pueden estar situados bajo la vía pública o en el sótano de los edificios.
De superficie. Sus accesos están en el ámbito 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 función de centro de transformación
Independiente. Aislado de cualquier edificación, y puede ser prefabricado de hormigón, o de obra civil
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Clasificación de centros de transformación Según el tipo constructivo
Interior o bajo envolvente Celdas prefabricadas con envolvente metálica: Recintos especiales o casetas prefabricadas Mejor control de la ejecución y de la calidad de la instalación, más fácil verificación de normas. Construcción compacta y modular que facilita el mantenimiento y la sustitución de partes averiadas Permiten la salida de gases (cortocircuito) Más numerosas Dimensiones reducidas (SF 6) Celdas de obra Mayores dimensiones (dieléctrico: aire)
Normalmente son semicerradas 14
Clasificación de centros de transformación Según el tipo constructivo
Interior o bajo envolvente
15
Clasificación de centros de transformación Según el tipo constructivo
Interior o bajo envolvente
16
Clasificación de centros de transformación Según el tipo constructivo
Interior o bajo envolvente
Centro de transformación prefabricado Centro de transformación de obra civil
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Clasificación de centros de transformación Según el tipo alimentación
En antena, en el extremo de una red de MT, zonas alejadas y aisladas
De paso, conectados a la misma línea de MT, anillo abierto
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Clasificación de centros de transformación Según el tipo alimentación
Doble alimentación, conectados a 2 líneas de MT seguridad
⇒ mayor
MT 1
MT
BT
MT 2
Centro de transformación
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Clasificación de centros de transformación Según el propietario del CT
Propiedad de la compañía suministradora:
Alimenta múltiples abonados en BT, medida en BT Dimensiones reducidas Acceso restringido
Transformadores SN≤1kVA
CT prefabricado
Habitual en instalaciones residenciales, comerciales y administrativas
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Clasificación de centros de transformación Según el propietario del CT
Propiedad del abonado:
Propietarios de la instalación 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 compañía suministradora
Habitual en complejos industriales, centros comerciales, edificios de oficinas
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3. Esquema general de conexión de un CT a la red de distribución E
I
I
P
M
U
1
C
2
3
Línea de la red pública Línea de la red pública
Cable de conexión
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Esquema general de conexión de un CT a la red de distribución E: Celda de entrega de la energía. El uso es exclusivo de la empresa distribuidora P: Celda de protección general. Esta celda contiene el interruptor-seccionador general del CT y el sistema de protección M: Celda de medida. Esta celda es accesible tanto a la empresa distribuidora como al cliente I: Celdas dedicadas a líneas en media tensión U: Celda que constituye el punto de entrega de la energía C: Punto de entrega de la energía 1: Sistema de medida 2: Interruptor general del CT 3: Celda presente sólo en un CT con dos líneas de alimentación 23
Esquema general de conexión de un CT a la red de distribución
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4. Diseño del transformador de un centro de transformación Parámetros fundamentales de un transformador de potencia:
Potencia nominal
Potencia de emergencia
Tensiones nominales y relación de transformación
Grupo de conexión e índice horario
Tensión de cortocircuito
Tipo de refrigeración
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Diseño del transformador de un centro de transformación Selección de la potencia nominal
Dependiente del nivel de tensión
A mayor potencia nominal, mayor nivel de tensión
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 alimentar
Si la carga es conocida (teorema de Boucherot): 2
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ST = ⎜ ∑ Pi ⎟ + ⎜ ∑ Qi ⎟ ⎝ i ⎠ ⎝ i ⎠
2
No son necesariamente las potencias nominales de la propia carga (consultar tablas). Es muy común que los motores estén sobredimensionados (entre el 15 y el 30%)
Factor de utilización, Ku, para cada carga o para cada grupo de cargas similares
Factor de simultaneidad, K c, a partir de las interacciones funcionales entre los procesos (diseño más ajustado)
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Diseño del transformador de un centro de transformación Selección de la potencia nominal Factores de utilización Tipo de carga
Ku
Tipo de carga
Ku
Lámparas
1
Máquinas de soldadura
0.7 a 1
Motores de 0.5 a 2 kW
0.7
Calefacción eléctrica
1
Motores de 2 a 10 kW
0.75
Máquinas herramientas y cintas
0.6 a 0.8
Motores de más de 10 kW
0.8
Ascensores y montacargas
0.8 a 1
Hornos eléctricos
1
Bombas y ventiladores
1
Convertidores
1
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Diseño del transformador de un centro de transformación Selección de la potencia nominal Características de motores trifásicos de inducción de 400 V PN (kW)
Rendimiento nominal
ηN
Factor de potencia nominal cos
φN
2p = 2
2p = 4
2p = 6
2p = 2
2p = 4
2p = 6
0.55
70
71
70
0.80
0.80
0.73
1.1
77
74
74
0.85
0.81
0.75
2.2
82
78
78
0.85
0.83
0.74
5.5
85
84
84
0.88
0.85
0.76
7.5
87
86
84
0.88
0.85
0.75
11
87
88
88
0.88
0.86
0.78
15
89
89
89
0.88
0.88
0.82
30
90
91
91
0.88
0.83
0.84
45
92
93
92
0.89
0.85
0.85
90
92
94
94
0.89
0.86
0.85
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Diseño del transformador de un centro de transformación Selección de la potencia nominal Factores de simultaneidad para sistemas industriales Número de cargas
Kc
Número de cargas
Kc
Hornos
hasta 2
1
Convertidores
hasta 10
0.8
Motores de 0.5 a 2 kW
hasta 10 hasta 20 hasta 50
0.6 0.5 0.4
Máquinas de soldadura
hasta 10
0.4
Motores de 2.5 a 10 kW
hasta 10 hasta 50
0.7 0.45
Ascensores y montacargas
hasta 4 hasta 10
0.7 5 0.6
Motores de 10 a 30 kW
hasta 5 hasta 10 hasta 50
0.8 0.65 0.5
Alumbrado
---
0.8
Motores de más de 30 kW
hasta 2 hasta 5 hasta 10
0.9 0.7 0.6
Tipo de carga
Tipo de carga
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Diseño del transformador de un centro de transformación Selección de la potencia nominal Factores de simultaneidad para viviendas Número de viviendas
Kc
Menor o igual que 3
1
de 4 a 9
0.8
de 10 a 14
0.7
De 15 a 19
0.6
20 o más de 20
0.5
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Diseño del transformador de un centro de transformación Selección de la potencia nominal
Conocidas cargas, factores de utilización y simultaneidad, y potencias reactivas se calcula la potencia aparente del transformador
Los transformadores de MT/BT se construyen con potencias normalizadas y parámetro típicos
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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Diseño del transformador de un centro de transformación Selección de la potencia nominal Potencias normalizadas de transformadores para CT y parámetros típicos Potencia nominal
Corriente de vacío
Corriente de conexión
Tensión de cortocircuito
Pérdidas en núcleo
Pérdidas en devanados a carga nominal
SN (kVA)
I0 %
Ic (x IN)
Vcc%
PFe (W)
PCu (W)
50
8
15
3
370
1000
100
7
15
3
580
1890
160
6
13
4
800
2730
200
5.5
13
4
900
3190
315
4.5
12
4
1200
3980
400
4
12
4
1520
5320
500
4
12
4
1700
6230
630
3.5
12
5
1840
7150
800
3.5
12
5
2140
9990
1000
3.2
12
5
3000
10300
1250
3
12
5
3400
12180
1600
3
12
5
4000
15400
2000
3
12
6
4700
17200
2500
3
12
6
5900
21900
3000
3
12
6
6900
25800
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Ejemplo 1 La potencia estimada de un sistema industrial es 4300 kVA. Determinar el tamaño del transformador del centro de transformación del sistema.
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Diseño del transformador de un centro de transformación Determinación de la potencia de emergencia Número 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 número de transformadores del CT
SN = S/n la potencia de cada transformador en condiciones normales
α la reserva de potencia en p.u. del centro de transformación
SE la potencia de emergencia de cada transformador 34
Diseño del transformador de un centro de transformación Determinación de la potencia de emergencia Si 1 transformador está fuera de servicio (balance de potencias)
(1 − α ) S = 1.3 (n − 1) SE Factor de aprovechamiento del transformador s=
SN SE
100 =
1.3 (n − 1) n (1 − α )
100
Para evitar sobredimensionado en condiciones normales de funcionamiento, se suele imponer s ≥ 80%, si α = 0.2 ⇒ n ≥ 2 Para n = 3 y α = 0.2, se obtiene que SE < SN. El máximo de n está limitado sólo por razones económicas (coste de los transformadores, interruptores, etc.) 35
Ejemplo 2 Calcular el factor de aprovechamiento, la potencia nominal y la potencia de emergencia para una instalación de potencia total S, reserva de potencia α = 0.2, y 2 y 3 transformadores, respectivamente.
n
SN
SE
s
2
0.5S
0.615S
81%
0.333S 0.307S
108%
3
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Diseño del transformador de un centro de transformación Elección de la relación de transformación
Relación estándar
MT de distribución de red pública: 15, 20 ó 30 kV
BT: 400 V
Nivel de tensión puede variar entre 5 y 10% según zona
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Diseño del transformador de un centro de transformación Elección de la relación de transformación
Problemas en sistemas industriales con motores de inducción (par mecánico de depende del cuadrado del módulo de la tensión)
Transformadores con tomas para regular la tensión secundaria en las subestaciones (AT/MT o MT/BT)
Regulación manual (o en vacío) se usa sólo esporádicamente para compensar variaciones permanentes de la tensión de la red de alimentación respecto a su tensión nominal
Regulación automática (o en carga) para eliminar las fluctuaciones de la tensión de la red. Es costosa y delicada y no se suele utilizar. Fluctuaciones de tensión se deben tener en cuenta en la fase de diseño de las acometidas del sistema de baja tensión alimentado por el CT 38
Diseño del transformador de un centro de transformación Elección del grupo de conexión del transformador
Relacionado con el tratamiento del neutro en el sistema de alimentación y en el sistema a alimentar
En Europa la mayoría de los sistemas de distribución tienen el neutro aislado. Por otro lado, en baja tensión el neutro puede estar a tierra (con o sin resistencia de tierra), siendo relativamente inusual encontrar el neutro aislado
Por tanto, el grupo de conexión de los transformadores para centros de transformación es generalmente Dyn. Obsérvese que este grupo permite la circulación de las corrientes homopolares y las confina en el lado de baja tensión.
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Diseño del transformador de un centro de transformación Elección de la tensión de cortocircuito Caída de tensión aproximada por fórmula de Kapp (p.u.)
Δv = v CCRi'2 cos ϕ2 + v CCXi'2 senϕ2 Corriente de cortocircuito aproximada (p.u) iCC
=
1 v CC
⇒ caída de tensión grande Tensión de cortocircuito pequeña ⇒ corriente de Tensión de cortocircuito grande cortocircuito grande
En la práctica está entre el 3 y el 7%
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Diseño del transformador de un centro de transformación Elección del tipo de refrigeración
Fluido interno, aislante eléctrico en contacto con los devanados
Fluido externo, intercambia calor con el primero y no entra en contacto con los devanados
Convección natural (N) o forzada (F)
Código estándar internacional de cuatro letras:
Primera letra: fluido refrigerante interno O: aceite mineral o sintético con punto de combustión menor que 300 ºC K: fluido con punto de combustión mayor que 300 ºC L: fluido con punto de combustión no determinado 41
Diseño del transformador de un centro de transformación Elección del tipo de refrigeración
Segunda letra: mecanismo de circulación del fluido interno: N óF Tercera letra: fluido refrigerante externo A: aire. W: agua.
Cuarta letra: mecanismo de circulación del fluido externo: N óF
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Ejemplo 3 Diseñar un transformador para el CT de una pequeña planta industrial. La planta está dividida en tres secciones A, B y C, como se muestra en la Tabla. La sección A alimenta a motores de inducción, una bomba y alumbrado; la sección B, ventiladores, hornos eléctricos y alumbrado; y la sección C, oficinas. La compañía de distribución debe proporcionar los parámetros principales para el diseño del centro transformación, su protección y su puesta a tierra:
Tensión nominal: 15 kV.
Potencia de cortocircuito en el punto de suministro: 500 MVA.
Corriente de falta a tierra: 150 A (tiempo de eliminación 0.9 s).
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Ejemplo 3
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Ejemplo 3 Potencia nominal: 630 kVA Tensión nominal primaria: 15 kV Tensión nominal secundaria: 400 V Tensión de cortocircuito: 5% Grupo de conexión: DYn11 Refrigeración: ONAN
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Bibliografía
Capítulo 4: A. Conejo, J. M. Arroyo, F. Milano, N. Alguacil, J. L. Polo, R. García Bertrand, J. Contreras, A. Clamagirand, L. López. “Instalaciones Eléctricas ”. McGraw-Hill, Madrid, 2007. ISBN: 978-84-481-5639-8
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