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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA " DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL DE UNA MINICENTRAL HIDROELÉCTRICA DE 100 KW " JORGE HERNANDO MERA VELASCO TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO ELÉCTRICO QUITO-JULIO-2000
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
" DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL DE
UNA MINICENTRAL HIDROELÉCTRICA DE 100 KW "
JORGE HERNANDO MERA VELASCO
TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN
DEL TITULO DE INGENIERO ELÉCTRICO
QUITO-JULIO-2000
CERTIFICACIÓN:
CERTIFICO QUE LA PRESENTE TESIS HA SIDO
DESARROLLADA EN SU TOTALIDAD POR EL SEÑOR
JORGE HERNANDO MERA VELASCO, BAJO LA
DIRECCIÓN Y SUPERVISIÓN DE MI PERSONA.
Ing. Germán Castro,Macanéela.
DIRECTOR DE TESIS
AGRADECIMIENTO
Deseo dejar constancia de mis más sincero agradecimiento al
Ingeniero Germán Castro M. por su enorme paciencia e
invalorable ayuda, para la feliz culminación de este trabajo.
A el Ingeniero Bolívar Ledesma, por su desinteresada
cooperación.
A todas y cada una de las' personas que de alguna forma
colaboraron, en la realización de esta tesis.
ESTDICE GENERAL
Pag.
INTRODUCCIÓN 1
CAPITULO I:
CARACTERÍSTICAS DE LAS PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
1.1 Generalidades 5
1.2 Clasificación de las pequeñas centrales hidroeléctricas 6
1.3 Principales componentes de una minicentral hidroeléctrica 9
1.4 Equipo electromecánico de una minicentral 10
CAPILTULO H:
DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL DE LA MINICENTRAL
LA FLORIDA
2.1 Parámetros e información básica para el diseño *— 14 22
2.2 Consideraciones técnicas en la selección del equipo electromecánico 37
2.3 Sistema eléctrico a ser diseñado para la minicentral -^ 40
CAPITULO IH:
DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL SISTEMA
DE GENERACIÓN DE LA MINICENTRAL
3.1 Selección del tipo de generador 49
3.2 El generador sincrónico y sus principales características técnicas 52
3.3 Procedimiento de selección del generador de la minicentral 65
3.4 Protecciones del generador 75
3.5 Especificaciones técnicas del generador seleccionado 79
CAPITULO IV:
DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE VELOCIDAD Y SISTEMAS
COMPLEMENTARIOS A LAS INSTALACIONES ELECTROMECÁNICAS
4.1 Criterios generales 82
4.2 Sistema de regulación de velocidad de la turbina 83
4.3 Sistema de comente continua 98
4.4 Sistema eléctrico de fuerza y control de la válvula de entrada
de agua a la turbina 108
4.5 Malla de tierra de la central 117
4.6 Sistema de iluminación y fuerza de casa de máquinas 125
CAPITULO V:
DISEÑO DE LOS PANELES DE CONTROL Y PROTECCIONES DE LA
CENTRAL
5.1 Definiciones y consideraciones técnicas 132
5.2 Componentes del panel principal de control y protecciones 135
5.3 Componentes del panel de control de carga del regulador de velocidad 147
5.4 Características físicas de los tableros de control y protecciones 150
5.5 Especificaciones técnicas de los componentes de los paneles de
control y protecciones 152
CAPITULO VI:
DISEÑO DE LA SUBESTACIÓN DE LA MINICENTRAL
6.1 Función y conceptos de una subestación 158
6.2 Propuesta de diseño 161
6.3 Dimensionamiento y características técnicas del
transformador de la subestación 163
6.4 Equipo de protección y corte 172
6.5 Componentes adicionales 188
CAPITULO
INSTRUCTIVO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CENTRAL Y CRONOGRAMA
VALORADO DE ACTIVIDADES PARA EL MONTAJE
1. 1 Operación de puesta en marcha de la central 191
7.2 Instrucciones de control de operación de rutina 196
7.3 Operación de parada de la central 198
7.4 Operación de la central durante la ocurrencia de una falla 202
7.5 Cronograma valorado del montaje electromecánico de la central 205
CAPITULO VIO:
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 226
BIBLIOGRAFÍA 230
ANEXO: Planos de diseño Pl aP22
INTRODUCCIÓN
La Escuela Politécnica Nacional, mediante convenio realizado con la Comunidad
Económica Europea, el Banco Central del Ecuador y Foderuma, se comprometió a
realizar el diseño completo de la minicentral hidroeléctrica denominada "La Florida",
que se encuentra ubicada en la zona rural del cantón Echandía-de la provincia de
Bolívar y cuya capacidad solicitada y- previamente definida por estas entidades, es
de 100 KW.
El diseño comprendé las áreas de Ingeniería Civil, Mecánica y Eléctrica. La parte
referente a la Ingeniería Eléctrica es el motivo de la presente tesis de grado, de
forma similar a lo ocurrido en las otras especialidades.
El objetivo social que persigue la ejecución de este trabajo, es resolver el problema
de la dotación de energía eléctrica para esta rica zona agrícola-ganadera, que
ayude a mejorar la productividad de la gente, mediante la instalación de pequeñas
industrias o talleres artesanales, orientados a la industrialización de los productos
que produce la zona y se propicie de esta manera el mejoramiento de las
condiciones socio=económicas del sector.
La generación del tipo hidráulico en general, representa la mejor alternativa, tanto
económica como ambiental, con respecto a la instalación de generación térmica que
utiliza combustibles derivados de! "petróleo. La energía producida por una central
hidroeléctrica es "limpia", pues esta se produce sin causar mayores daños en el
entorno natural.
Para proyectos agro=industriales pequeños, como es el caso del sector de "La
Florida", es necesario que se cuente con una fuente de provisión de energía
eléctrica confiable, permanente, de bajo costo de producción, de larga vida útil,
como es el caso de una central hidroeléctrica y que además no sea dependiente del
incremento periódico de los precios de los combustibles.
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Los diseños, estudios y la posterior ejecución, de pequeñas centrales
hidroeléctricas, pueden tener actualmente la posibilidad de financiamiento, por parte
de Organismos Internacionales o fundaciones particulares, preocupados por
desarrollar mejores condiciones de vida especialmente en los sectores rurales
marginales, como es el caso que nos ocupa.
El diseño eléctrico y de control de la minicentral " La Florida", se orienta a la
utilización en la mayor escala posible, de los recursos, conocimientos, experiencias,
materiales y equipos que se disponen y pueden obtenerse localmente en el país,
con el objeto de abaratar los costos de la instalación y generar ingresos económicos
hacia el sector interno.
Las partes fundamentales de que consta este trabajo, básicamente se pueden
resumir en las siguientes:
(a) El diseño eléctrico y de control de la minicentral
(b) Los planos del diseño eléctrico
(c) Un manual de operación de la central diseñada y un cronograma de actividades
valorado, para realizar el montaje del equipo .electromecánico.
La parte (a) contempla la propuesta del diseño, los cálculos, las características y
justificaciones técnicas, de cada uno de los sistemas eléctricos que se proponen
como componentes de la central y que son desarrollados a lo largo de los primeros
seis capítulos de esta tesis.
Merece especial atención la utilización de la turbina Michell Banki, como la máquina
motriz del generador de la central, de cuya fabricación el país cuenta con algunas
experiencias propias, dado la simplicidad de su diseño y las facilidades
constructivas que presenta.
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EI sistema de regulación de velocidad de la turbina que se utiliza en el presente
diseño, es del tipo denominado "Eléctrico-Electrónico con disipación de carga", que
permite evitar la utilización de los tradicionales reguladores de velocidad óleo-
mecánicos u óleo-hidráulicos, que aparte de su elevado costo, presentan serías
dificultades especialmente en el caso de su mantenimiento y reparación.
De forma similar que en el caso de las turbina, la fabricación y ensamblaje de este
tipo de regulador de velocidad, se pretende realizárselo (ocalmente, dado que se
dispone del suficiente conocimiento de su tecnología y la experiencia de su
funcionamiento en varias centrales instaladas en el país. Sin embargo, es necesario
mencionar que para efectos de nuestro trabajo, el diseño del sistema electrónico de
control del regulador de velocidad y sus componentes son presentados únicamente
mediante bloques explicativos, dado lo extenso que resulta un diseño
pormenorizado y por cuanto así fue planteado originalmente este tema.
El diseño de los restantes sistemas eléctricos de la central como son: sistema de
generación, tableros de qontrol y protecciones, sistema de corriente continua,
válvula de entrada de agua d.e la turbina,, subestación, malla de tierra, instalaciones
interiores de casa de máquinas, etc, complementan el alcance de trabajo de esta
primera parte.
En la parte (b) de esta tesis, se realiza el diseño y dibujo de los planos de los
diferentes sistemas y componentes eléctricos de la central tratados en la parte (a),
que son en un número de veinte y dos (22) planos y que constan en el anexo de
este trabajo.
Los esquemas elaborados corresponden a diagramas unifilares de fuerza y control
en AC y D'C, esquemas de interconexión interna y externa entre equipos, esquemas
de control y protección, señalización, disposición del equipo eléctrico en los tableros
de control y protecciones, instalaciones interiores de casa de máquinas, malla de
tierra, conexión del regulador de voltaje del generador, esquema de la subestación,
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esquema y conexiones del sistema electrónico de regulación de velocidad, sistema
de corriente continua, etc.
En síntesis, los diseños presentados definen los rangos, potencias, tecnologías,
esquemas de control, secuencia de operación y protecciones que tendrá la
minicentral, aunque los detalles de carácter constructivo durante su real ejecución,
podrán estar sujetos a modificaciones que permitan mejorar las condiciones
técnicas planteadas.
En la parte (c) del trabajo, capítulo Vil, se produce un manual de operación de la
central, en el que se explica paso a paso la forma de funcionamiento de la misma,
desde su puesta en marcha, operación normal, operación en falla, parada de la
central, incorporando además las recomendaciones para la corrección de las
anomalías presentadas y otras relacionadas con el mantenimiento, etc.
Adicionalmente en este mismo capítulo, se elabora un cronograma de actividades,
tendiente a establecer plazos y valores que tienen .que ver con la adquisición,
fabricación y montaje de los equipos electromecánicos de la central. Para el efecto,
en la parte correspondiente a las actividades de mano de obra para el montaje
electromecánico, se presenta los precios unitarios justificativos de las diferentes
actividades que involucra este trabajo. Los valores de los equipos a adquirirse y
construirse ¡ocalmente, se han investigado a suministradores, importadores y
fabricantes del mercado interno del país.
En el capítulo VIH y como parte final del presente trabajo, se exponen las
conclusiones y recomendaciones del caso.
CAPITULO I
CARACTERÍSTICAS DE LAS PEQUEÑAS CENTRALES
1.1 GENERALIDADES
A partir de la crisis petrolera mundial del año 1973 y la perspectiva de! agotamiento
de las reservas de este hidrocarburo, se hizo evidente que el modelo de generación
térmica basado en la utilización de los diferentes tipos de combustible derivados del
petróleo, presentaba serias limitaciones para responder la demanda eléctrica
creciente y sostenida de los diferentes sectores de consumo.
Bajo este contexto, la solución al problema planteado sugiere establecer un modelo
de aprovechamiento energético diferente, orientado a la utilización del recurso
natural como es el agua.
%En general, el aprovechamiento de la hidroelectricidad en nuestra región, se
encuentra aún .en plena etapa de desarrollo y ha estado orientada
fundamentalmente, a la ejecución de importantes proyectos tendientes a satisfacer
las necesidades de consumo de energía de las grandes concentraciones humanas,
concurrentes a los sistemas de interconexión eléctrica nacionales, dejando de lado
a los sectores rurales, que se han visto privados de un mejor desarrollo socio-
económico, en virtud de que estos se encuentran alejados de! perímetro urbano y
de las rutas de las líneas de subtransmisión y distribución.
Es así como aparecen los denominados programas de pequeñas centrales
hidroeléctricas, cuyo desarrollo e implementación, puede contribuir de manera
significativa, a la solución de dos problemas fundamentales:
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1. Buscar la alternativa de reemplazo de las fuentes de energía térmica, que
utilizan los derivados del petróleo.
2. Atender a los sectores rurales marginales, en consideración de que esta opción
es la más viable económicamente, con respecto a otras soluciones tales como
su interconexión al Sistema Nacional o la dotación de generación térmica.
En el Ecuador desde hace aproximadamente 20 años, se instauró un Programa de
Pequeñas Centrales Hidroeléctricas, el mismo que estuvo manejado por dos
organismos estatales actualmente desaparecidos, como fueron el Instituto
Ecuatoriano de Electrificación INECEL y el Instituto Nacional de Energía INE.
Fundamentalmente las pequeñas centrales hidroeléctricas construidas por estas
dos instituciones, han estado orientadas a servir a ios sectores rurales del país que
se encuentran alejados del Sistema Nacional Interconectado, sirviendo en unos
casos para reemplazar las fuentes de energía térmica existentes en esas zonas, en
otros para dotar por primera vez del servicio de energía eléctrica (generalmente
sistemas aislados) e inclusive en ciertos casos, para trabajar acoplados al Sistema
Nacional o contribuirá un sistema regional independiente.
1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
Las pequeñas centrales hidroeléctricas son factibles de clasificarse según
parámetros técnicos como también en relación a su aplicación.
Las siguientes son las clasificaciones que pueden adoptarse:
a. Según potencias y saltos.
b. Según la forma de utilización.
c. Según su vinculación con el sistema eléctrico.
d. Según su concepción tecnológica.
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a. Clasificación según sus potencias y saltos.
Según sus potencias y saltos, las pequeñas Centrales Hidroeléctricas tienen las
características que se describen en el cuadro No. 1.
Esta clasificación es recomendada por la Organización Latinoamericana de Energía
OLADE y en nuestro país fue adoptada por el desaparecido Instituto Ecuatoriano
de Electrificación INECEL, habiéndose inclusive generalizado el término pequeña
central para los rangos de micro y mini centrales.
Específicamente, en el caso del presente trabajo, su clasificación recae en el rango
de las minicentrales hidroeléctricas y por ende conservaremos este término y su
clasificación.
DENOMINACIÓN
Micro Centrales
Mini Centrales
Pequeñas Centrales
RANGO POTENCIAINSTALADA.
Hasta 50 KW.
De 50 a 500 KW.
De 500 a 5 MW.
SALTO EN MTS.
BAJO MEDIO ELEVADO
<de15 15-50 >de 50
<de20 20.-1.00 >de100
<de25 25-130 >de 130
CUADRO No. 1.- Clasificación recomendada por OLADE para CentralesHidroeléctricas según rangos de potencias y saltos.
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b. Clasificación según la forma de utilización.
De acuerdo a este criterio, las pequeñas centrales hidroeléctricas pueden ser de
los siguientes tipos:
• De toma lateral desde el cauce principal.
• Con embalse o represa,
• De control regulable del caudal de ingreso a la turbina, ya sea en forma manual
o automática.
• De carga constante, ya sea por la naturaleza propia de la carga o por la
disipación del exceso de energía, la misma que puede ser utilizada en
aplicaciones complementarias específicas.
c. Clasificación según su vinculación con el sistema eléctrico.
De acuerdo a la forma de integrarse con un sistema eléctrico, las pequeñas
centrales hidroeléctricas pueden clasificarse como:
• Centrales aisladas.
• Centrales integradas a pequeños sistemas eléctricos.
• Centrales integradas a grandes redes zonales o al sistema nacional.
d. Clasificación según su concepción tecnológica.
Es una clasificación indicativa referida a la naturaleza de los principales elementos
tecnológicos de una central. En forma cualitativa, se pueden establecer los
siguientes tipos de pequeñas centrales:
• Centrales con tecnologías convencionales, en donde se consideran obras
civiles de calidad en la toma, canal de conducción, cámara de carga,
desarenador, tubería de acero, equipo electromecánico de alto costo y
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construido según normas internacionales de países desarrollados, tableros de
control ampliamente instrumentados, etc.
Centrales con tecnologías no convencionales. Este tipo de centrales
frecuentemente emplean tomas y canales de riego o acequias existentes que
son mejoradas, cámara de carga instalada en línea sobre el canal incluyendo el
desarenado!", equipos electromecánicos diseñados y construidos con la
tecnología que dispone el desarrollo industrial del propio país, tableros de
control modulares simples y con un mínimo de instrumentación etc.
1.3 PRINCIPALES COMPONENTES DE UNA MINICENTRAL HIDROELÉCTRICA.
Dentro de las obras y equipos que componen una minicentral hidroeléctrica y en
general una pequeña central, se distinguen las siguientes:
+ Obras civiles.
4- Equipo hidromecánico.
4 Equipo electromecánico.
Los principales componentes de las obras civiles son: obras de toma, canal de
conducción, desarenador, cámara del tanque de presión y las obras civiles de casa
de máquinas y subestación.
El equipo hidromecánico lo componen fundamentalmente: rejillas, tubería de
presión y diversos tipos de compuertas, localizadas en diferentes partes de las
obras civiles.
El equipo electromecánico y sus componentes se ios trata a continuación en forma
más amplia y específica, en virtud de ser el aspecto de nuestro mayor interés.
- 1 0 -
1.4 EQUIPO ELECTROMECÁNICO DE UNA MINI CENTRAL
Es el sistema requerido para desarrollar la energía potencial y/o cinética
aprovechable de un flujo de agua determinado, para convertirlo primero en energía
mecánica y luego en energía eléctrica, controlarla y transmitirla a los usuarios.
El equipo electromecánico de la central, se encuentra localizado en el área
asignada a la casa de máquinas, tanto en su zona interna como en su zona externa
adyacente. En esta última zona, generalmente se localiza la subestación de la
central.
\s principales componentes electromecánicos de una minicentral, se consideran
los siguientes:
4 Turbina.
4- Generador.
4 Regulador de velocidad.
4 Volante.
4- Sistema de transmisión de velocidad.
* Válvula de entrada de agua.
4 Tableros de control y protecciones.
4 Equipo de la subestación de elevación.
Los componentes indicados, conforman eí equipamiento electromecánico básico
de una minicentral, sin embargo, dependiendo del diseño de la misma y de las
características propias de su aplicación y funcionalidad, algunos de estos
elementos pueden no ser contemplados.
Se cita a continuación ejemplos de casos concretos que se tiene en el país: en la
microcentral hidroeléctrica de Oyacachi de 50 KW de capacidad (central construida
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por INECEL-INE en la provincia del Ñapo) no se dispone de volante y además
tampoco existe subestación de elevación, esto último en razón de la cercanía de los
consumidores a la central, por lo que la distribución se la realiza directamente en
baja tensión.
Otro caso es la central Zumba de 200 KW (2x100 KW), en la provincia de Zamora
Chinchipe (central construida por INECEL), en la que no existe válvula de entrada
de agua, pero se cuenta con un sistema automatizado de la operación de los
alabes de las turbinas, que permite controlar el flujo de entrada de agua en forma
rápida.
A continuación, se describe en forma breve, las características más importantes del
equipo electromecánico:
TURBINA.- En este equipo se produce la conversión del producto salto y caudal
de agua, en el producto torque x R.P.M. en su eje de salida (energía potencial y/o
cinética del agua en energía mecánica rotante).
Para que una turbina desempeñe una labor efectiva, su diseño debe corresponder
al salto de agua establecido por la topografía del lugar y a la cantidad o caudal de
agua disponible.
Existen dos tipos básicos de turbinas:
4 Turbinas de Reacción.
4 Turbinas de Impulso.
En las Turbinas de Reacción, una parte de la energía del fluido se convierte en
energía cinética, al pasar el fluido a través de una corona de alabes oríentables que
no giran, llamados alabes directores, situada antes del rodete móvil, y el resto de la
transformación tiene lugar en el rodete móvil.
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Las Turbinas de Reacción son cfasificadas como de: flujo mixto y radial, y de flujo
axial.
Flujo mixto y radial.,.............Turbinas Francis
Flujo axial..............................Turbinas Hélice Kaplan
....Bulbo
Tubular
En las Turbinas de Impulso, la altura disponible es convertida en energía cinética a
presión atmosférica antes de su ingreso al rodete; la potencia disponible es
extraída del flujo de agua a presión atmosférica.
Las modernas Turbinas de Impulso se clasifican como:
Turbinas de Flujo Tangencial... Turbinas Pelton
Turbinas de Flujo Cruzado................ Os.sberger
.......Michell Banki
Precisamente las Turbinas de Impulso del tipo Michel! Banki tienen su mayor
aplicación en proyectos hidroeléctricos de pequeña capacidad como el que nos
ocupa, por lo que sus ventajas y aplicación específica se exponen más adelante.
GENERADOR.- Este equipo eléctrico convierte la energía mecánica de la turbina
aplicada a su eje, en energía eléctrica.
Dos tipos de generadores son factibles de utilizar en minicentrales hidroeléctricas:
4 Generadores Sincrónicos.
+ Generadores Asincrónicos o de Inducción.
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La mayor diferencia entre estos dos tipos de generadores radica en que, mientras
el generador sincrónico tiene la posibilidad de generar en forma autónoma la
energía para su excitación, el generador de inducción requiere de una fuente
externa que se la proporcione (Red externa o banco de condensadores).
La característica antes señalada, ha dado como resultado que, mayoritariamente,
las minicentrales hidroeléctricas que funcionan especialmente como sistemas
aislados, utilicen preferentemente generadores sincrónicos.
Los principales componentes de un generador son:
* Estator.
* Rotor.
* Sistema de excitación.
* Regulador de voltaje.
Los generadores sincrónicos tienen rotores de dos tipos: de polos salientes y tipo
cilindrico.
4:Los generadores sincrónicos acoplados a turbinas hidráulicas se construyen para
velocidades muy distintas, según sea la potencia, altura del salto y tipo de turbina.
REGULADOR DE VELOCIDAD.- Es básicamente un equipo de control automático,
que permite mantener constante la velocidad de la turbina , frente a las variaciones
de torque mecánico que se presentan en su eje, como consecuencia de la variación
de la carga eléctrica suministrada por el generador.
El regulador de velocidad es un equipo muy importante dentro de! equipamiento
electromecánico de una central hidroeléctrica, pues este permite una marcha
uniforme y confiable del conjunto turbina-generador.
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Los sistemas de control de velocidad de una turbina que se conocen actualmente y
que son aplicables a las minicentrales hidroeléctricas, son de los siguientes tipos:
4 Óleo-Mecánicos.
+ Electro-Hidráulicos.
4 Por Control de Disipación de Carga.
En los reguladores de velocidad de los tipos óleo-mecánicos y electro-
hidráulicos, la forma de controlar la velocidad de la turbina y mantenerla
constante, es actuando sobre el mecanismo de ingreso de agua al rotor de la
turbina (paletas, alabes, inyectores o agujas según el tipo de turbina).
El regulador de velocidad por Control de Disipación de Carga, es un sistema de
regulación muy moderno en su desarrollo, debido en su mayor parte a la evolución
tecnológica de los circuitos y elementos electrónicos, lo que ha permitido dejar de
lado la utilización en gran medida de dispositivos mecánicos, hidromecánicos o
electrohidráuiicos (bombas, generadores auxiliares, etc.).
Básicamente, este sistema de regulación, consiste en mantener fijo el flujo de
entrada de agua la turbina y constante la carga vista por el generador, de esta
manera el torque eléctrico permanece constante sobre el eje de la turbina y por
ende la frecuencia y la velocidad permanecen estables.
En este sistema, el control no actúa sobre el flujo de agua, es decir no opera los
alabes o agujas de la turbina, sino que actúa sobre un banco de resistencias o
cargas auxiliares, a través de un sistema electrónico que le permite manejar
automáticamente la operación de conexión y desconexión de estas, de forma que
se mantenga constante la potencia y por tanto también la frecuencia.
VÁLVULA DE ENTRADA DE AGUA.- Este elemento permite el ingreso controlado
del flujo de agua, desde la tubería de presión a la turbina.
- 1 5 -
En muchos casos, la válvula de entrada de agua, resulta un excelente equipo de
seguridad de la central, ante el inusual evento de falla del sistema de control de
velocidad, que puede provocar el embalamiento de la turbina.
Por esta razón, la ubicación física de la válvula de entrada, en la generalidad de los
casos, es junto a la turbina.
Tres tipos de válvulas se utilizan comúnmente en las minicentrales:
a) Válvulas esféricas o globo
b) Válvulas mariposa
c) Válvulas de compuertas
La utilización de estos tres tipos de válvulas, está condicionado a los parámetros de
altura y caudal de diseño de la central, lo que define la presión hidrostática de
trabajo a vencer.
Para minicentrales con alturas y caudales de diseño medianos, es suficiente la
utilización de válvulas del tipo b) y c) anotadas.
VOLANTE.- Es una masa circular rotante, que sirve básicamente, para ayudar a
mantener la velocidad del movimiento de la turbina, cuando ocurre bruscas
variaciones en la carga que alimenta la central.
Especialmente en minicentrales, cuyo tipo de regulación de velocidad es mecánico,
la utilización del volante es de gran ayuda, pues reduce el tiempo de respuesta que
el regulador emplea en llevar a la turbina a la velocidad nominal de trabajo, cuando
por una entrada brusca de carga, la velocidad decrece.
En general, el volante se fabrica de acero o de la aleación hierro-acero. El volanteise localiza entra la turbina y el generador cuando ia transmisión es directa, es decir
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cuando no existe mecanismos de multiplicación de velocidad y por tanto la
velocidad de la turbina es igual a la del generador. Cuando existe un multiplicador
de velocidad, el volante estará acoplado a los extremos de éste y el generador.
En algunas minicentrales, se utiliza sobre el volante un sistema de frenos, que
generalmente esta constituido por zapatas colocadas en sus laterales y que se
accionan mediante aire comprimido o aceite a presión, según sea el sistema
diseñado. Este sistema se acciona a muy bajas velocidades y sirve únicamente
para quitarle inercia a la turbina, durante el proceso de parada.
SISTEMA DE TRANSMISIÓN DE VELOCIDAD.- El conjunto turbina-generador, se
monta generalmente sobre un mismo eje. Cuando ocurre que la velocidad de la
turbina es similar a la del generador, no se requiere de ningún dispositivo para
modificar la velocidad y la transmisión del movimiento se la realiza directamente
sobre el mismo eje.
En una gran cantidad de pequeñas centrales, en general, se requiere modificar la
velocidad de la turbina, a fin de conseguir velocidades normalizadas, que sean
compatibles con Fas que se fabrican comúnmente los generadores.
Dos tipos de sistemas de transmisión son utilizadas frecuentemente:
a) Cajas multiplicadoras de velocidad de engranajes
b) Poleas con bandas o fajas en " V".
Las cajas multiplicadoras de velocidad de engranajes o simplemente conocidas
como multiplicador de velocidad, es un sistema modular compuesto por un tren de
engranajes cilindrico, rodamientos de bolas auto alineables para soporte de sus
ejes, carcaza con nervaduras transversales de reforzamiento, capacitada para
soportar elevadas temperaturas y que utilizan un aceite liviano como elemento de
lubricación de sus partes.
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El sistema de transmisión de velocidad por Poleas con Bandas o Fajas en " V ", es
más utilizado que e! sistema antes descrito, en razón de su notable menor costo de
fabricación. Este sistema dispone generalmente de dos poleas, cuyos diámetros
están en relación inversa a las velocidades de la turbina y el generador. Como en la
mayoría de casos, normalmente la velocidad de la turbina es menor a la que se
dispone para el generador, la polea de mayor diámetro se monta sobre el eje de la
turbina y la de menor diámetro sobre el eje del generador.
Las dos poleas, se mueven conjuntamente por medio de una banda colocada sobre
sus superficies lisas. En otros casos, las poleas se fabrican con ranuras, en las que
se alojan algunas bandas o fajas en forma de " V".
TABLERO DE CONTROL Y PROTECCIÓN.- La función principal de este tablero
es operar como control y monitor de todas las funciones de la central.
Cuando se presenta una falla, mediante la lectura y visualización de los aparatos
equipo de medida y señalización del tablero, el operador puede determinar la
naturaleza del evento ocurrido y proceder a tomar los correctivos que el caso
requiera.
Los principales componentes de un Tablero de Control son;
• Aparatos de medida
• Aparatos de mando y control
• Luces de señalización
• Alarmas sonoras
• Relés de protección
• Aparatos protección
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Los aparatos de medida, proveen la información sobre los niveles de voltaje,
corriente, potencia activa, potencia reactiva, energía, frecuencia, temperatura,
tiempo de funcionamiento, etc.
Los aparatos de mando y control, lo constituyen los contactores, selectores,
pulsadores, llaves, etc. que permiten desde el tablero de control efectuar todas las
operaciones que involucran el arranque y parada de la central, su funcionamiento
en condiciones normales o las paradas de emergencias en caso de falla.
Las luces de señalización, son utilizadas para indicar el estado o status actual del
equipo en funcionamiento, tales como: bomba conectada o desconectada, válvula
abierta o cerrada, interruptor abierto o cerrado, etc. De igual manera, en
condiciones de falla de la central, se utiliza señales luminosas que discrimine la
característica del problema por el cual la central salió fuera de servicio.
Las alarmas sonoras más comúnmente utilizadas son las sirenas, los timbres ó
ambos a la vez. Las alarmas sonoras advierten al operador sobre una condición
específica de alarma o falla de la central. Por ejemplo, puede utilizarse un timbre
para alarmas que señalan condiciones anormales de trabajo del equipo de la
central que son factibles de ser corregidos por el operador durante su
funcionamiento y utilizar una sirena para las alarmas de fallo mayor, que
necesariamente, provoquen la salida automática de la central fuera de servicio.
Los relés de protección basan su funcionamiento especialmente, en la información
de los parámetros voltaje, corriente, temperatura y características de tiempo.
Cuando los valores pre, calibrados de voltaje o corriente han sido alcanzados,
operan y ordenan en general, el inicio de la secuencia de operación automática de
parada de la central. Ejemplos de relés de protección comúnmente utilizados, lo
constituyen los relés de sobrecorriente, sobrevoltaje, sobrecarga, diferenciales, etc.
-19-
El equipo de protección, del que puede disponer el tablero de control principal de
una minicentral hidroeléctrica, se refiere principalmente a: interruptores de fuerza,
interruptores de pequeña potencia, seccionadores fusibles, seccionadores barra,
fusibles en general.
Los interruptores de fuerza, también denominados disyuntores, tienen como función
establecer o cortar la continuidad de un circuito eléctrico bajo carga, cuando se ha
producido una sobre intensidad o una sobrecarga.
Los interruptores de fuerza, generalmente conectan al generador con la red externa
a servirse y en casos especiales, conectan circuitos de fuerza importantes, de
potencias significativas en relación con la capacidad nominal de la centra!.
Los disyuntores o interruptores de pequeña potencia, se los utiliza para alimentar y
servir de elementos de protección contra sobre corrientes, en los circuitos auxiliares
y de control que dispone la central.
Los seccionadores fusibles tienen dos funciones principales; son equipo de
maniobra en situaciones específicas de operación y además, protegen contra sobre
corrientes que produzcan en el circuito que controlan. Su aplicación es preferencia!
en circuitos de fuerza y es recomendable su operación en vacío.
Los seccionadores barra, de muy poco uso en los esquemas eléctricos de las
minicentrales, se los utiliza únicamente como elementos de maniobra y su
operación, necesariamente debe realizársela en vacío.
EQUIPO DE LA SUBESTACIÓN DE ELEVACIÓN.- Cuando sucede que los
usuarios o el centro de consumo a ser servido por la minicentral se encuentra
distante, es necesario contar con un sistema de transformación, que permita llevar
la energía a los usuarios en las condiciones técnicas previstas, que faciliten su
normal aprovechamiento.
-20 -
Para una minicentral, el sistema de transformación o equipo de la subestación de
elevación, es suficiente que disponga de las siguientes componentes:
• Un transformador de elevación
• Una torre de salida de la línea de distribución de alta tensión.
Las variantes principales para el costo de un transformador, son su capacidad en
KVA y los voltajes de su primario y secundario. En nuestro país es normalizado el
voltaje de 13.200 Voltios, para el caso del lado de alta tensión del transformador y
aplicable para el caso de una minicentrai, que se ubique especialmente en una
zona rural.
El segundo componente de la subestación de elevación, es la denominada torre de
salida de la línea de distribución de alta tensión, que es una estructura básicamente
conformada por 2 postes ya sea de madera u de hormigón, en donde se montan los
seccionadores fusibles, pararrayos, crucetas, aisladores y más elementos de
sujeción (herrajes).
Los seccionadores fusibles y los pararrayos, son elementos de protección de la
línea de distribución eléctrica de alta tensión, contra sobrecorrientes y sobrevoltajes
respectivamente, que se producen en su recorrido.
La figura No. 1-1 muestra un diagrama esquemático de la composición típica de
una minicentral hidroeléctrica.
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CAPITULO II
DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL DE LA MINICENTRAL
LA FLORIDA
2.1 PARÁMETROS E INFORMACIÓN BÁSICA PARA EL DISEÑO
La principal información que se requiere para realizar el diseño del sistema
eléctrico de una minicentral, es básicamente la siguiente;
a) Parámetros e información eléctrica
b) Información del equipo mecánico
c) Información de obras civiles
2.1.1 PARÁMETROS E INFORMACIÓN ELÉCTRICA
Los siguientes son los aspectos más relevantes, referentes a la especialidad de la
Ingeniería Eléctrica, que se requieren conocer, con antelación a efectuar el diseño:
> Estudio de la demanda y características de la carga a servir
> Forma de interconexión de la central
> Estudio de la resistividad del suelo
1) El estudio de la demanda eléctrica y sus características, son algunos de los
aspectos fundamentales que se realizan, previo a la ejecución del diseño de una
minicentral.
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
- 23 -
La determinación de la capacidad de la minicentral, es el primer paso en un estudio
de este tipo. La capacidad de la central considerará la proyección de la demanda
futura, cuyo horizonte en la generalidad de los casos, abarca un período mínimo de
25 años, el mismo que también se define como el de vida útil de la central.
La figura No. 2-1 muestra el crecimiento porcentual, de la demanda típica de una
zona rural aislada de nuestro país, para un período de 25 años.
CURVA DE CRECIMIENTO DE LA DEMANDA120 -,
1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
AÑOS
FIGURA No. 2-1.- Curva de demanda típica para zonas rurales del país
Al establecer la capacidad de la central, se define la demanda máxima que se
impondrá al sistema eléctrico y a partir de esta, se establecen los parámetros de
diseño del equipo tales como: capacidad y voltajes del generador, del
transformador de elevación, calibres de conductores, capacidad de interruptores,
de fusibles, características del equipo de medición, etc.
-24-
S¡ la demanda máxima proyectada para el período de vida útil de la central, es la
potencia nominal del generador, a través de la utilización de la fórmula No. 2.1
puede definirse el caudal de trabajo de la turbina, que se considera el parámetro
susceptible de variación.
Pg=9.81 x H x Q x E (2.1)
En donde:
Pg es la potencia máxima que el generador entrega al sistema eléctrico en KW
H es la altura neta aprovechable en metros
Q es el caudal máximo de diseño, en m3/seg. que fluirá por la turbina
E es la eficiencia total de la planta hidroeléctrica (eficiencia del generador, del sistema
de transmisión turbina-generador y eficiencia de la turbina a plena carga)
Dentro de la evaluación de la demanda, se determina un parámetro importante que
es el Factor de Carga, el mismo que se define como la relación entre el promedio
de la demanda sobre un período de tiempo determinado, al pico de carga ocurrido
en ese tiempo. Matemáticamente e! factor de carga se expresa por la siguiente
ecuación:
Fe = Dp/Dm (2.2)
Donde:
Fe es el factor de carga
Dp es la demanda promedio del período considerado
Dm es la demanda máxima ocurrida en el período considerado
El factor de carga, es un parámetro que permite al diseñador apreciar claramente,
la forma de aprovechamiento de la capacidad de la central, que tiene incidencia
directa en el aspecto económico de su funcionamiento y que además ayuda a
-25 -
establecer la mejor alternativa de selección del tipo de turbina, en función de su
rendimiento. Un factor de carga elevado, significa un mayor aprovechamiento de la
capacidad de la central y por ende una mayor rentabilidad económica.
La determinación de bajos factores de carga, pondrá en aviso al diseñador, sobre ía
posibilidad de variar la capacidad de la central, a fin de mejorar el funcionamiento
económico de la misma, ya sea vía control de inversiones o previendo instalar un
número mayor de unidades hidrogeneradoras de menor capacidad.
El factor de carga que se analiza en un diseño, se refiere a períodos diarios, puesto
que para períodos mayores ya sean mensuales, trimestrales, anuales, etc., su valor
tiende a decrecer. Por ende la demanda máxima de importancia, se refiere al pico
diario ocurrido y ese valor se toma en cuenta para establecer la capacidad del
generador.
La Figura No. 2-2, nos muestra las curvas de carga diaria en el año inicial y final
del período considerado como de vida útil, para un factor de carga 0.4.
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HORAS
FIGURA No. 2-2.- Diagrama de carga de la turbina para un sistema eléctricocon un factor de carga de 0.4
- 26 -
2) La forma de interconexión de la central, tanto hacia los usuarios a servir o su
acoplamiento a otro sistema de generación local, regional o nacional, es otro
aspecto técnico que se debe conocer previo a la ejecución del diseño.
En la mayoría de los casos, ocurre que las minicentrales trabajan alimentando un
sistema rural aislado, por lo que se pueden considerar los siguientes aspectos en el
equipo de control:
• No es necesario implementar un equipo de sincronización
• Es recomendable utilizar un generador del tipo sincrónico
• El regulador de voltaje del generador no necesita considerar en su diseño,
ninguna etapa de compensación de potencia reactiva, por cuanto no se prevé su
funcionamiento en paralelo, con otra fuente de energía.
• En caso de que sus instalaciones sean muy cercanas del poblado a servir, la
alimentación a los usuarios se la puede realizar directamente en baja tensión,
con lo que se ahorrar el equipamiento previsto para la subestación de elevación
• Definir si se va a manejar eléctricamente la operación de la válvula de entrada
de agua a la turbina, para lo que se requerirá de un sistema de alimentación
específico de corriente continua, etc.
Para el caso en que la minicentral, tiene la posibilidad de trabajar en paralelo con
otra fuente externa, es necesario contemplar las siguientes condiciones para el
diseño:
• Equipo de control para sincronización
• Factibilídad de utilizar un generador asincrónico
- 27 -
• Si es un generador sincrónico, el sistema de regulación de voltaje, debe
contemplar la etapa de control de regulación de reactivos.
• Implementación de mayor equipo de protección. Por ejemplo protección contra
motoreo.
• En el sistema de regulación de velocidad de la turbina, si la señal de frecuencia
que recibe es eléctrica, ésta debe tener independencia de las barras comunes
de los generadores en paralelo.
• Se puede pensar en operar eléctricamente la válvula de entrada de agua a la
turbina con corriente alterna o con corriente continua, etc.
3) El estudio de la resistividad del suelo, donde se ubicarán los equipos
electromecánicos, es otra actividad que el diseñador del sistema eléctrico debe
contemplar a fin de poder dimensionar la malla de tierra de la central, establecer
las corrientes de cortocircuito que se esperan durante una falla y definir el
equipo de protección requerido.
2.1.2 INFORMACIÓN DEL EQUIPO MECÁNICO
Especialmente se requiere los siguientes datos del equipo mecánico a ser instalado
en la central:
> Tipo de turbina y sistema de transmisión
> Sistema de Regulación de velocidad
> Válvula de entrada de agua, etc.
a) El tipo de turbina, se define a partir de el caudal y altura disponibles en el lugar
de instalación y además tomando en cuenta la potencia máxima a servir en el
año horizonte proyectado.
-28-
La figura No. 2-3, muestra el gráfico apropiado para seleccionar el tipo de turbina
en función de los parámetros antes señalados.
Las figuras No. 2-4 y No. 2-5, nos permiten visualizar respectivamente, la eficiencia
a carga parcial de las turbinas hidráulicas y las eficiencias promedios diarias para
el año inicial y final, de las turbinas tipo Michell Banki y Francis, para un sistema
eléctrico que tiene un factor de carga de 0.4
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- 3 2 -
La disposición horizontal o vertical de la turbina y la velocidad de giro son los datos
importantes a conocer, pues estos tienen relación directa con la definición de las
características técnicas de! generador.
Para el caso de una turbina tipo Michell Banki, muy común en el equipamiento de
minicentrales, la velocidad de rotación óptima viene dada por:
N = 39.85 H1/2/ De (2.3)
Donde;
N = Número óptimo de revoluciones en r.p.m. de la turbina
De = Diámetro exterior del rodete, en metros
H = Salto neto aprovechable, en metros
Los generadores síncronos, generan tensiones cuya frecuencia viene fijada por la
velocidad de la máquina que lo mueve (en este caso una turbina hidráulica), de
acuerdo a la siguiente fórmula:
N = 2 x 60f/ P (2.4)
Donde:
N - Velocidad mecánica de rotación en r.p.m.
f = Frecuencia del sistema eléctrico en Hz.
P = Número de polos del rotor
Observando la fórmula anterior, se puede fácilmente deducir que cuando la turbina
de accionamiento tiene una velocidad baja, se requerirá un gran número de polos
en el rotor del generador y por tanto aumentarán las dimensiones físicas del mismo;
-33 -
en el caso inverso se disminuirán el número de polos y por ende el tamaño del
generador.
La definición del número óptimo de revoluciones de la turbina, establecerá también
el sistema de transmisión de velocidad hacia el generador, ya sea que lo efectúe en
forma directa o utilizando mecanismos de elevación de velocidad, por medio de
bandas con poleas o cajas multiplicadoras de velocidad de engranajes.
Cuando el sistema de transmisión, emplea las denominadas cajas multiplicadoras
de velocidad con engranajes, se utilizan para la lubricación de sus componentes
internos, bombas eléctricas para la circulación forzada del aceite, en cuyo caso el
diseñador del sistema eléctrico, debe prever su esquema de alimentación,
protección y mando.
b) El tipo de control de regulación de velocidad de la turbina, es otro dato de
necesario conocimiento para el diseño eléctrico de la central.
Dependiendo del tipo de regulador de velocidad a utilizar, el diseñador deberá
considerar el equipo eléctrico que involucra, la ubicación física de los mismos, su
forma de funcionamiento, etc.
Pequeñas centrales hidroeléctricas de procedencia China, montadas por el ex
INECEL, en algunos sectores rurales del país, utilizan reguladores de velocidad del
tipo óleo-mecánico. Este tipo de reguladores involucra principalmente el siguiente
equipo eléctrico:
• Un generador de ¡manes permanentes, para alimentar el motor de péndulo del
regulador de velocidad, que es quien sensa el estado de la velocidad de la
turbina y permite al sistema hidromecánico del regulador accionar, a fin de
corregirla y mantenerla en su valor nominal de trabajo.
-34 -
• Una bomba eléctrica, para mantener la presión del aceite del sistema hidráulico,
en un valor pre establecido.
• Una válvula electromagnética accionada con corriente continua, para parada
emergente de. la turbina. Actúa sobre el sistema hidráulico del regulador de
velocidad y permite el cierre de los alabes de la turbina.
• Motores de corriente continua, para operación automática de apertura y cierre
de alabes y ajuste de velocidad, etc.
La Figura No. 2-4, muestra el esquema de un regulador de velocidad de
oleohidráulico tipo YTT, de procedencia china.
En la actualidad, las minicentrales de hasta 200 KW, utilizan preferentemente la
regulación de velocidad del tipo de control eléctrico-electrónico con disipación de
carga, que tiene principios diferentes a los reguladores de velocidad de control
positivo de flujo (óleo-mecánicos y electro-hidráulicos) y que aparte de las mejoras
técnicas que proporciona, permite reducir costos.
El sistema de control de velocidad de la turbina, del tipo eléctrico-electrónico con
disipación de carga, involucra los siguientes componentes eléctricos:
• Un sistema de fuerza compuesto por un conjunto de elementos de electrónica
de potencia TRIAC ó SCR.
• Un banco de resistencias eléctricas de la capacidad nominal de la central
• Un sistema electrónico de control y supervisión.
La adopción de este último sistema de regulación de velocidad, permite una mayor
participación del diseñador eléctrico, por cuanto se requiere establecer mayores
espacios para el montaje del sistema y contemplar elementos de mando, medida y
protección adicionales.
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- 36 -
c) En el literal 2.1.1 se había señalado que cuando la válvula de entrada de agua
va a ser accionada eléctricamente, tiene dos posibilidades de diseño: la una con
un motor de corriente continua y la otra con un motor de corriente alterna, en
función de establecer, si la central opera en forma aislada o su trabajo tiene la
posibilidad de hacerlo con otra fuente externa, ya sea de otro sistema regional
existente o con el sistema nacional.
Para una minicentral hidroeléctrica que trabaja como un sistema aislado y bajo la
decisión de no considerar la operación manual de ia válvula de entrada, conviene
que el funcionamiento eléctrico de esta, sea con corriente continua, con lo que se
logra independencia de su trabajo con respecto a la operación de la central.
Esta definición involucra entonces, la necesidad de contar con un sistema de
corriente continua que estará compuesto por un banco de baterías, su respectivo
cargador, así como también se establecerá las características del equipo de
mando, protección y control que se asocian al funcionamiento de la válvula, e
inclusive un análisis del tipo de motor a utilizar.
2.1.3 INFORMACIÓN DE OBRAS CIVILES
Los datos que se requieren conocer, especialmente de las obras civiles de la
central hidroeléctrica, son los siguientes;
> Detalles de planta y fachadas de casa de máquinas
> Detalle de planta del área de subestación
(a) El detalle de planta de casa de máquinas, nos permite conocer el área
disponible, para la localización del equipo electromecánico de la central.
El detalle de las fachadas, nos señalan los accesos, ventanas y alturas de la casa
de máquinas.
-37 -
En general, cuando ya se define el plano de planta de la casa de máquinas, en esta
se encuentra establecida la iocalización del equipo mayor de ta central, como son
el conjunto turbina-generador y la válvula de entrada de agua a la turbina; estas
ubicaciones se determinan a partir de la disposición física del ingreso de la tubería
de presión, en la casa de máquinas.
Con este conocimiento, el diseñador eléctrico realiza actividades tales como:
ubicación del los tableros de control, recorrido de canaletas y tuberías de cables,
diseño de instalaciones interiores de iluminación y fuerza, diseño de la malla de
tierra, establece los espacios libres para circulación, etc.
(b)EI detalle de planta del área de la subestación, permitirá al proyectista
determinar:
• Dimensiones de la base del transformador de elevación y su ubicación.
• Recorrido de canaletas y tuberías de cables
• Ubicación y orientación de la estructura de salida de la red de alta tensión
• Diseño de la malla de tierra
• Espacios libres de seguridad para operación y cerramientos de la zona.
2.2 CONSIDERACIONES EN LA SELECCIÓN DEL EQUIPO ELECTRO -
MECÁNICO
En los apartados 1.4 y 2.1, se establecieron en forma general las características de
los componentes electromecánicos, factibles de instalarse en una minicentral
hidroeléctrica y los parámetros e información requerida, previo a la ejecución del
diseño eléctrico.
-38 -
En este acápite se presentan las consideraciones, que específicamente se aplican
para el diseño de una minicentral hidroeléctrica de 100 KW, a ubicarse en el sector
La Florida, perteneciente al cantón Echandía, de la provincia de Bolívar.
Estos parámetros y condiciones, definen e influyen, en la determinación de las
características técnicas del equipo electromecánico de la minicentral. A
continuación, se detallan las consideraciones que se han definido para el caso
específico de este estudio:
1. La minicentral La Florida, funcionará sirviendo a un sistema rural aislado y no se
prevé su interconexión, con otro sistema externo de energía.
2. La capacidad máxima de la central ha sido fijada en 100 KW. Esta potencia fue
fijada por el ente estatal Banco Central-Foderuma, solicitante del proyecto.
3. Se utilizará una turbina de flujo cruzado tipo Michelle Banki, por considerar que
éste tipo de turbina se acopla perfectamente a las condiciones caudal-altura
disponibles, así como también presenta un mejor rendimiento para trabajar con
factores de carga bajos, típicos de sistemas rurales aislados, en comparación
con una turbina Francis, que resulta ser la otra alternativa a considerar. Ver
figuras No. 2-3 , No. 2-4 y No. 2-5.
Por otra parte, su bajo costo debido a las facilidades constructivas que presenta
su diseño y la factibilidad de contar con tecnología nacional para fabricarla en el
país, justifican esta decisión.
4. El sistema de transmisión del conjunto turbina-generador, se lo efectúa
aplicando bandas y poleas. Este sistema resulta mucho más económico, que el
que puede establecerse empleando una caja multiplicadora de velocidad,
aunque la eficiencia de trabajo resulta ser menor.
-39-
La utilización de un sistema de transmisión de velocidad, permite al diseñador
eléctrico una mayor libertad en la definición de la velocidad del generador de la
central y que influye en el tamaño y costo económico del mismo.
5. El sistema de regulación de velocidad que se adopta en el presente diseño, es
del tipo eléctrico-electrónico con disipación de carga.
Las razones de la elección de este sistema son las siguientes:
* Su costo económico es menor con respecto a los otros sistemas utilizados
tradicionalmente en minicentrales, tales como reguladores de velocidad oleo-
mecánicos o electro-hidráulicos, pues estos involucran en gran medida
elementos como; bombas hidráulicas, generadores eléctricos auxiliares y
sistemas mecánicos de avanzada tecnología mecánica, etc.
4- De fácil construcción en el país, por disponer de la tecnología adecuada;
además, la mayor parte de sus componentes es factible de adquirirse
locaimente.
4- La tecnología electrónica que involucra este sistema, permite conseguir
fácilmente precisión desde el punto de vista constructivo, así como dotar al
sistema de acciones de control moderno, que redundan en lograr ventaja en la
calidad de la regulación de velocidad.
4- No requiere de casi ningún mantenimiento y se evita un control permanente de
operación.
6. Existe una válvula de entrada de agua, para controlar el flujo de ingreso desde
la tubería de presión hacia la turbina, la misma que para su operación se
manejará eléctricamente con corriente continua.
- 40 -
7. Se prevé la implementación de un sistema de corriente continua, compuesto por
un banco de baterías y un cargador automático para alimentar los equipos y
sistemas eléctricos de la central.
8. Los criterios para el diseño eléctrico del sistema de control, medida y protección
de la minicentral, toman en cuenta los siguientes aspectos:
• Que se trata de una central que estará medianamente atendida durante su
funcionamiento.
• Que su construcción sea factible de realizarla localmente y que su tecnología
sea de fácil aprendizaje para el personal de operación, que por obvias razones
no dispondrá en principio del adecuado conocimiento del sistema.
• El sistema de control, medida y protección, utiliza las experiencias que tiene el
país de minicentrales de características similares, que nos permitan su
mejoramiento y optimización. Para el efecto, se recoge un récord de las fallas
más comunes que se han presentado durante el funcionamiento de estas
pequeñas centrales.
9. El sistema eléctrico de la minicentral requiere la implementación del diseño de
una subestación de elevación, en razón de que los usuarios se encuentran
diseminados a distancias de hasta 10 Km, a la redonda.
2.3 SISTEMA ELÉCTRICO A SER DISEÑADO PARA LA MINICENTRAL
En función de las consideraciones de selección establecidas en el numeral anterior,
se expone a continuación, la propuesta de diseño del sistema eléctrico de la
minicentral hidroeléctrica de 100 KW, destinada al sector de La Florida.
-41 -
En esta propuesta, se exponen los detalles generales del equipo y en los capítulos
siguientes, se justifican y especifican más ampliamente los componentes y sistemas
diseñados.
La composición de esta propuesta es la siguiente:
1. Un sistema de generación que dispone de;
<* Un generador sincrónico, sin escobillas de 100 Kw, 60 Hz, 220 Voltios, 1800
r.p.m.
<» Una excitatriz de corriente alterna y un rectificador giratorio trifásico de onda
completa, que suministra ia excitación al generador.
»> Un reguiador de voltaje automático de estado sólido.
*> Termistores en los devanados del estator del generador, como protección contra
elevadas temperaturas, provocadas por fallas de origen mecánico o eléctrico.
2. Un sistema de regulación de velocidad del tipo eléctrico - electrónico con
disipación o control de carga que constará de:
<» Un sistema supervisor de control eiectrónico-digital de regulación de velocidad
*t* Un sistema de fuerza, compuesto por tiristores (SCR), para manejar la carga
auxiliar resistiva.
<» Equipo de medida, mando, señalización, protecciones y auxiliares .
<* 10 bancos de resistencias de 10 KW.
- 4 2 -
Los bancos de resistencias, están ubicados en una sala independiente del resto del
equipo electromecánico de la central, que debe disponer de una buena ventilación
para permitir la libre circulación del aire caliente que provoca el funcionamiento de
la carga auxiliar resistiva.
El sistema supervisor de control electrónico, por razones de carácter funcional, se
ha planeado ubicarlo en el tablero de control principal de la central. El sistema de
tiristores, equipo de medida, protección, señalización, etc., se instalan en un panel
independiente, al que se le denomina "Panel de Control de Carga del Regulador de
Velocidad" o simplemente Panel de Control de Carga.
3. Un "Panel Principal de Control y Protecciones" de la central, que dispone del
siguiente equipo:
(a) Instrumentos de medida tales como: amperímetros de corriente alterna y
continua, voltímetros de corriente alterna y continua, frecuencímetro, medidor de
potencia activa, contador de tiempo.
Ei nivel de tensión en alterna para estos aparatos será 220/110 V y los
transformadores de corriente que se utilizan para los amperímetros, serán de
relación 5 Amperios en secundario.
En el caso del amperímetro y voltímetro de corriente continua, éstos tendrán las
características corriente - voltaje, impuestas por los equipos usuarios, del sistema
de corriente directa de la central.
(b) Equipo de maniobra, mando y protección, compuesto por:
<* Un interruptor de potencia de caja moldeada, de corriente nominal 400
amperios, 600 Voltios, con protección termomagnética, trifásico, con bobina de
disparo de mínima tensión y contactos auxiliares.
-43-
Este interruptor conecta el generador de la central con la carga externa de la
central a través de la subestación de elevación.
<" Interruptores termomagnéticos, de pequeña potencia para circuitos auxiliares y
de control en corriente alterna y continua.
(c) Relés auxiliares y contactores en corriente alterna y continua, para la ejecución
de varias funciones del sistema eléctrico en general.
(d) Pulsadores y selectores, etc., como elementos de mando, para control de
operación.
(e) Equipo de protección que consta de;
*> Relés de protección de sobrecarga, sobrevoltaje, bajo voltaje, falla a tierra,
sobre velocidad, baja velocidad, control de nivel de agua del reservorio.
*> Elementos fusibles para equipo auxiliar y circuitos de control.
Los relés de protección relacionados con las protecciones de sobrecarga del
generador y sobrecorriente por cortocircuitos externos a la central, provocan el
disparo automático del interruptor general a través de la bobina de disparo de
mínima tensión.
Las restantes protecciones, al producirse un fallo específico que está bajo su
control, ordenan en primera instancia e! cierre de la válvula de entrada de agua a la
turbina, con lo que al decrecer el movimiento de la turbina, decae el valor del
voltaje del generador y la bobina de disparo de mínima tensión del interruptor
general, ordena el disparo automático (desconexión) del mismo.
-44-
(f) Sistema de señalización que dispone de las partes siguientes:
* Una central de alarmas luminosas, localizada en la parte frontal del tablero
principal de control, que informa sobre el estado de funcionamiento del equipo
de la central.
Estas alarmas son las siguientes:
-Interruptor de carga abierto
-Interruptor de carga cerrado
-Baja frecuencia
-Nivel normal de agua
-Nivel máximo de agua
-Válvula de entrada de agua en operación
-Válvula de entrada de agua abierta
-Válvula de entrada de agua cerrada
-Alabes abiertos
-Alabes cerrados
-Cargador de baterías conectado
Las alarmas indican al operador, realizar las maniobras adecuadas para corregir el
funcionamiento de la central, si ese es el caso.
*> Se utilizan relés auxiliares de señalización con banderas de color, para indicar
las fallas de la central. El listado de fallas, que se encontrará a través de las
banderas de los reiés auxiliares, son las siguientes:
-Falla a tierra de la línea de distribución de alta tensión.
-Sobrecarga eléctrica del generador
-Alta temperatura en bobinas del generador
-Sobrevoltaje del generador
- 45 -
-Bajo voltaje del generador
-Sobre velocidad
-Baja velocidad
-Bajo nivel del agua
-Falla de funcionamiento del cargador de baterías
-Alabes de la turbina cerrados
(g) Otros elementos eléctricos, tales como: borneras de conexión, aisladores,
regletas de soporte, conectares, cables de fuerza, cables de control, canaletas
plásticas para cables de control, etc.
4. Un sistema de corriente continua, compuesto principalmente por:
*> Un cargador automático de corriente continua de 24 Voltios y de capacidad
nominal de 20 Amperios.
*> Un banco de baterías que consta de 2 baterías de 125 Amperios/horas, de 19
placas, 12 voltios, tipo ácido. Estas baterías estarán montadas sobre un rack
metálico.
5. Una válvula de entrada de agua, de compuerta tipo lenteja, cuya operación de
apertura y cierre se maneja eléctricamente con corriente continua.
Se utilizará un motor-reductor para el accionamiento de la válvula. El motor
eléctrico que entregará el torque mecánico para su operación, será del tipo shunt,
en razón de requerir que la velocidad permanezca aproximadamente constante
ante variaciones de la carga, como suele ocurrir durante las operaciones de cierre
y apertura de la válvula. La potencia calculada del motor es de 1/2 HP, para una
tensión de 24 voltios y velocidad de 1800 RPM. El reductor mecánico de velocidad
tendrá una velocidad de salida de 225 RPM y el torque requerido estará en función
de la potencia del motor.
-46-
El equipo auxiliar de control, protección, mando y señalización están ubicados en el
Tablero Principal de Control y Protecciones de la central. Únicamente el motor
eléctrico y los microsuichs de fin de carrera que controlan su cierre y máxima
apertura, se localizan junto ai cuerpo mecánico de la válvula.
Como se había señalado anteriormente al hablar de las protecciones, cuando
ocurren cierto tipo de fallas, la primera maniobra que comandan es la operación de
cierre de válvula de entrada, a través del circuito eléctrico de control de esta.
6. La central dispone de una subestación de elevación, para alimentar la línea de
distribución de alta tensión, que deberá construirse para atender a los
consumidores, localizados en muchos casos en un radio de hasta 10 Km.
Los componentes de la subestación son los siguientes :
*> Un transformador trifásico de elevación de 125 KVA, 13200-7620/220 Voltios, 60
Hz., sumergido en aceite, conexión YNd5, con taps de ± 2,5 y ± 5% sobre y bajo
el voltaje nominal.
*> Una torre de salida a la línea de distribución de alta tensión que conste de:
-2 postes de hormigón de 11 mts.
-3 pararrayos de 10 KV
-3 seccionadores monofásicos tipo abierto, 100 Amp., 7.8/15 KV
-4 crucetas de 2.40 mts.
-Conductores, herrajes, conectores, varillas de copperweld, luminarias, etc.
<* Obras civiles compuestas por: canaletas de cables, cerramiento de malla
metálica del área, base de hormigón ciclópeo para el transformador, puerta de
acceso, etc. El área de la subestación, se localiza junto a la casa de máquinas
de la minicentral
-47-
7. Se prevé diseñar los siguientes sistemas eléctricos complementarios, de la
minicentral;
*> Una malla de tierra, que cubrirá todo el área de la casa de máquinas y
subestación, que consta de varillas de copperweld, conectores y conductor de
cobre desnudo, calibre # 1/0 AWG.
*> Un sistema de instalación eléctrica para alumbrado y tomacorrientes de casa de
máquinas. El alumbrado de casa de máquinas es interno y externo.
En las instalaciones de alumbrado, se utilizarán luminarias con lámparas de vapor
de mercurio para la zona externa y del tipo incandescente para el alumbrado
interno de la casa de máquinas.
8. Para completar el diseño eléctrico de la central, es necesario que se conozca
las características del equipo mecánico de la central, que de una u otra forma
incide en el presente diseño:
<* La turbina a utilizar, será del tipo de flujo cruzado, Michell Banki.
*> Se prevé utilizar poleas y bandas como mecanismo de transmisión de velocidad,
entre la turbina y el generador.
<+ La apertura y cierre de los alabes de la turbina, se lo realizará en forma
mecánica. El mecanismo de control de los alabes deberá permitir graduar a
voluntad la apertura o cierre, entre el rango cero y máximo de su carrera.
Esta última característica permite que, en función del sistema de regulación de
velocidad de la turbina elegida para esta central, se pueda controlar la potencia que
entrega la central a voluntad, dependiendo únicamente de la graduación en la
48-
apertura de los alabes y obviamente del conocimiento del valor de la carga a
servirse.
Sí como ocurre en la puesta en servicio de minicentrales, que sirven a sistemas
rurales aislados, generalmente un máximo de hasta el 40% de la potencia nominal
de la central, requiere inicialmente garantizarse, por lo que en ese caso, no hace
falta abrir completamente los alabes, sino aproximadamente hasta la mitad de su
rango de apertura.
Con esta forma de funcionamiento y control de apertura de los alabes de la turbina,
se logra reducir el gasto del caudal de agua y el inútil desgaste de las bobinas del
generador y de las resistencias de la carga auxiliar, provocado por el paso de la
corriente eléctrica correspondiente a una permanente y máxima apertura de los
alabes y portante, a un trabajo de la central a su potencia nominal.-
*> Dos microsuichs fin de carrera, para indicar la posición de los alabes
completamente abiertos o completamente cerrados, son los únicos elementos
eléctricos, que se montan sobre este mecanismo de la turbina.
9, Un total de 22 planos (del P1 al P22), recogen el diseño completo del sistema
eléctrico de la minicentral La Florida. Para tener una idea general de la
instalación, en los planos P1 y P21, se presentan el diagrama unifilar del
sistema eléctrico y la disposición del equipo electromecánico en planta,
respectivamente.
DETERMINACIÓN DE LAS CARCTERISTÍCAS TÉCNICAS DEL SISTEMA DE
GENERACIÓN DE LA MINICENTRAL
3.1 SELECCIÓN DEL TIPO DE GENERADOR
El generador se encarga de convertir la energía mecánica rotante de la turbina en
energía eléctrica y constituye el equipo más costoso en el sistema eléctrico de una
central.
Como se menciona en el capítulo anterior, son dos tipos de generadores, los
factibles de utilizarse en minicentrales hidroeléctricas:
• Generadores sincrónicos
• Generadores asincrónicos o de inducción
La mayor diferencia entre un generador asincrónico y un sincrónico, radica en que
ei este último, tiene la gran ventaja de generar su propia energía de excitación,
mientras que el asincrónico, requiere de una fuente externa de energía reactiva
para crear el flujo magnético giratorio de excitación.
Precisamente las características de la carga a servir, son los parámetros
fundamentales que nos ayudan a definir, el tipo de generador a instalarse en una
central.
Los generadores asincrónicos, pueden ser utilizados para alimentar una red
aislada, sobre todo cuando se trata de instalaciones simples, que sirven para
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
- 50 -
satisfacer necesidades domésticas, calefacción, cargas resistivas, que en general
tienen un factor de potencia prácticamente fijo.
Cuando las características de la carga a servir, poseen un factor de potencia que
varía constantemente, la utilización de un generador asincrónico complica la
alimentación a la carga, en razón de requerir un sistema complejo de compensación
automática de corriente reactiva, que" permita mantener un nivel adecuado de
voltaje en forma permanente y sin mayores variaciones.
Los cuadros No. 2 y No. 3 que a continuación se transcriben, son recomendaciones**
tomadas del manual técnico de la fábrica francesa de generadores LEROY-
SOMER, en donde se resume la aplicación del tipo de generador, en función de las
características de carga a servir, de la forma de conectarse con la red externa y de
su potencia nominal.
Baja potenciaCalentamiento de aire o aguaIluminaciónPequeños electrodomésticos
Generador Asincrónico
Carga con factor de potencia variableNumerosos motores eléctricos Alternadores Sincrónicos
CUADRO No. 2.- Selección del Tipo de Generador según las características decarga de un Sistema Eléctrico Aislado
_ R1 —*J J.
Baja, hasta 50 KW.Aproximadamente
Generador Asincrónico Generador asincrónico depreferencia
Mediana, de 50 KW. A5MW aproximadamente
Generador asincrónicopreferencia
de Alternador sincrónico depreferencia
Alta, más de 5 MW. Alternador sincrónico Alternador sincrónico
CUADRO No. 3.- Condiciones habituales de utilización de GeneradoresSincrónicos y Asincrónicos
Con los antecedentes citados, se establecen a continuación las condiciones técnicas
específicas de funcionamiento de la minicentral, que justifican la definición del tipo de
generador:
• El generador funcionará alimentando un sistema eléctrico aislado, en donde no
se prevé la existencia de ningún otro generador de potencia. En este caso, la
gran ventaja de un generador sincrónico radica en su capacidad de producir su
propia energía reactiva, mientras que e! generador asincrónico requiere de una
fuente externa.
• La carga a servir el sistema, contempla la industrialización de la energía
eléctrica, mediante la instalación de talleres artesanales y pequeñas fábricas
que se dedicarán a la agro industria, explotación maderera, etc!, lo que
implicará |a existencia de numerosos motores de inducción que demandarán un
continuo flujo de energía reactiva y provocarán un constante cambio del factor
de potencia de la.carga.
Para este caso, el generador sincrónico se acopla perfectamente y en forma natural
a estas características de la carga, mientras que, el generador asincrónico
demandará de un complejo y costoso sistema de compensación automática de
corriente reactiva.
- 52 -
• Finalmente se considera como otra ventaja, la facilidad de adquisición en el
mercado local, pues sus características técnicas requeridas están
estandarizadas y los fabricantes los construyen habitualmente.
En función de las consideraciones técnicas expuestas, con respecto a estos dos
tipos de generadores y las recomendaciones que se señalan en [os dos cuadros
No, 2 y No. 3, se puede concluir que el generador seleccionado, para utlizarse en la
minicentral La Florida, es del tipo sincrónico.
En adelante cuando se haga referencia al generador, se entenderá que se trata de
un generador sincrónico.
3.2 EL GENERADOR SINCRÓNICO Y SUS PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS
TÉCNICAS
Una máquina sincrónica, es aquella máquina de corriente alterna cuya velocidad
en régimen permanente, es proporcional a la frecuencia de la corriente que
alimenta su inducido.
Los dos mayores componentes de un generador son el rotor y el estator. El rotor
llamado también inductor, lo constituye el ensamblaje rotatorio, al cual se aplica el
torque mecánico de la turbina (para el caso de una central hidroeléctrica); el
componente estacionario se denomina estator o inducido.
La disposición de estos dos componentes del generador, vienen impuestos por
razones prácticas de construcción, pues es preferible que el devanado inductor de
menor potencia, esté situado en el rotor y el devanado de mayor potencia, se sitúe
en posición fija estacionaria.
- 53 -
El devanado del inducido trabaja con corriente alterna, mientras que el inductor lo
hace con una corriente continua de excitación, salvo excepciones, los generadores
sincrónicos utilizados en minicentrales hidroeléctricas, son trifásicos, en virtud de
las ventajas que este sistema ofrece en la producción, transmisión y utilización de
una potencia eléctrica dada,
3.2.1 VARIABLES DEL GENERADOR SINCRÓNICO
De la teoría de funcionamiento de un generador sincrónico, se puede establecer
que existe dos variables de entrada que son: el voltaje o corriente de campo Ve ó le
y el torque mecánico T. Indirectamente el voltaje a los bornes del generador Vt,
que dependerá de la carga conectada y la corriente generada I.
Las variables de salida son la frecuencia f y la corriente generada I, pero por
criterios de dimensionamiento eléctrico y operación, interesa ei voltaje en bornes
Vt, la potencia activa P y la potencia reactiva Q entregada por el generador, siendo
estas variables, funciones de la corriente I y de la carga acoplada que no
necesariamente es constante y que casi siempre es resistiva-inductiva, como
ocurre generalmente en sistemas aislados.
Por lo tanto, en un sistema eléctrico de generación se tiene dos señales de entrada
y cuatro de salida, existiendo una ínter relación entre estas variables, donde el
grado de correspondencia entre estas, es mayor en ciertos casos, dependiendo de
las características del sistema (Figura 3-1).
En un sistema de generación, existe una relación directa entre el torque mecánico
T y la velocidad del sistema o lo que es lo mismo su frecuencia f; así mismo se
puede anotar que, la magnitud del voltaje Vt puede ser controlada y fijada,
mediante la manipulación de la corriente de campo le.
-54 -
Para el caso de la potencia generada, de igual manera, se tiene que la variación de
corriente de campo, afectará la salida de la potencia reactiva únicamente. En
cambio una variación en la velocidad de la turbina, afectará principalmente la salida
de la potencia activa.
Aquí cabe mencionar además, que existe también una interrelación entre torque y
potencia reactiva, pero en todo caso es mínima, en comparación con las otras
variables.
En la figura No. 3-1, se ha representado el grado de relación entre las diferentes
variables del generador sincrónico, en el cual las líneas continuas significan que
existe una gran relación entre ellas, mientras que, las líneas punteadas indican que
su relación es muy débil.
PARÁMETROS BE ENTRADA:
PARÁMETROS DE SALIDA:
le ,n..,,,,
T M.,.....(,
P „„,„,
Q .....
Vt t .....
f ...... ....
,,.,,Corrlen'te de excitación
.,„.. Potencia activa
Potencia reactiva
........VoltaJe en bornes.... Frecuencia eléctrica
ENTRADA SALIDA
FIGURA 3-1.- Grados de relación de las variables de un generador sincrónico
- 5 5 -
Lo expuesto puede analizarse mejor, en base de las ecuaciones de potencia de la
máquina sincrónica, que se obtiene del diagrama fasorial de la figura No. 3-2 (b),
de donde podemos expresar la ecuación de la potencia activa generada, como en
la fórmula No. 3.1, en donde se deprecia la resistencia ( /R a / < < / X s / ) .
P= /V t / /Eg/sen. 5 (3.1)
Xs
Observando la fórmula anterior, se establece que para un voltaje de excitación
constante, la potencia real, es función únicamente del ángulo 6 y por lo tanto, del
torque de entrada al generador.
La potencia máxima real ocurre entonces, cuando 5 = 90°.
De idéntica forma, se obtiene la expresión correspondiente para la potencia
reactiva:
Q = / Vt /./ Eo / eos 5 - /Vt /2 (3.2)
Xs Xs
Donde se puede observar que:
Q > 0 Si: /E g / cos5>Vt
Q < 0 Si : /Eg/cos6 < Vt
Los generadores que tienen la primera característica, se encuentran
sobreexcitados y suministran potencia reactiva al sistema; los generadores que
tienen la segunda característica, se encuentran subexcitados y absorben potencia
reactiva del sistema.
-56 -
Ra
(a)
vt
Dar
(b)
I.Xs
FIGURA No. 3-2.- (a) Circuito equivalente de una máquina sincrónica (b)Diagrama vectorial de un generador sincrónico con factor de potencia enatraso.
Del análisis anterior, puede concluirse que la Potencia Reactiva Q, puede ser
controlada de una manera directa y continua, tanto en magnitud como en dirección
vectorial en función de / Eg/, es decir variando la corriente de excitación le.
Observando las ecuaciones No. 3.1 y 3.2, determinadas para la potencia Activa P y
Reactiva Q respectivamente, miramos que un incremento en el ángulo 5 causa un
cambio mayor en P, mientras que no ocurre una variación tan apreciable en Q.
El factor de potencia eos S, es otro de los parámetros del generador sincrónico que
depende de la potencia reactiva; por lo tanto, al realizar el control de la potencia
reactiva Q, mediante la variación del campo de excitación, significa que también se
realiza el control del factor de potencia del generador.
-57 -
El factor de potencia al que trabaja un generador, tiene su importancia económica,
debido al costo de la potencia reactiva. Un factor de potencia bajo, afecta
desfavorablemente de tres forma a un sistema:
• Las inversiones en generadores, transformadores y demás equipos necesarios
para suministrar una potencia dada, son aproximadamente inversamente
proporcionales al factor de potencia.
• Un factor de potencia bajo, representa una mayor intensidad, con el
consiguiente aumento de pérdidas en el cobre de las máquinas y equipos.
• Se dificulta la regulación de la tensión
Actualmente, los generadores destinados a centrales eléctrica, se les fija la
potencia nominal, para un factor de potencia 0.8
3.2.2 TENSIONES, VELOCIDADES Y EFICIENCIAS NOMINALES DE LOS
GENERADORES SINCRÓNICOS
Los voltajes nominales estandarizados, que comúnmente se encuentran en
generadores de potencias de hasta 500 KW, son: 208 -220-240-380-416 y 440
Voltios.
Los generadores de hasta 300 KW, generalmente utilizan niveles de voltaje entre
fases de 208 a 240 voltios, mientras que para potencias superiores y hasta 500
KW, utilizan voltajes de 380 a 440 voltios.
La red secundaria de un sistema de distribución que alimenta a los usuarios, es
generalmente trifásica, de conexión estrella y cuyos niveles de voltaje más usuales,
son 220/127 voltios, 210/121 voltios y 208/120 voltios, en razón de que las cargas a
- 58 -
servirse en nuestro medio, trabajan con estos niveles de tensión normalizados,
salvo casos particulares.
Por esta razón, cuando en una minicentral hidroeléctrica el generador de la misma,
alimenta directamente a los usuarios (en razón de su cercanía) y por tanto se
prescinde del transformador de elevación de la subestación, el nivel de tensión en
bornes, debe ser siquiera un 5 % más elevado que la tensión de régimen de la red.
Los voltajes requeridos en los generadores sincrónicos, para estos casos, no son
de fabricación standard, por lo que generalmente los construyen bajo pedido
específico.
Los generadores con voltajes de 380, 416 y 440 voltios, requieren necesariamente,
la modificación del sistema de transmisión y distribución de energía, mediante el
uso de transformadores, a fin de lograr disponer de los valores de voltaje
normalizados, en las redes secundarias que alimentan a los usuarios.
La constitución de los generadores trifásicos sincrónicos, que se emplean en las
centrales eléctricas, se rigen por el número de vueltas de sus máquinas motrices.
Los alternadores acoplados a turbinas hidráulicas se construyen para velocidades
muy distintas, según la potencia, altura del salto y tipo de la turbina.
Hasta velocidades de 1800 r.p.m., el rotor es del tipo de polos salientes y su eje
puede estar dispuesto en forma horizontal o vertical; las velocidades de 750 r.p.m.
y menores son generalmente usadas por generadores de polos salientes de eje
vertical, cuyas potencias son para medianas y grandes centrales.
Para velocidades superiores a 1,800 r.p.m. ,en la gran mayoría de casos, se utilizan
generadores de rotor cilindrico de eje horizontal.
59
La fórmula No. 2.4, establece que la velocidad de un generador sincrónico, viene
determinada por la velocidad de la máquina motriz o por la frecuencia en función
del número de polos. El cuadro No. 4, presenta la velocidad de rotación en función
del número de polos, para una frecuencia de 60 Hz.
FRECUENCIA VELOCIDAD60 Hz. 1800 r.p.m.60 Hz. 1200 r.p.m.60 Hz. 900 r.p.m.60 Hz. 720 r.p.m.
N° POLOS46810
Cuadro No. 4.- Velocidades y número de polos para generadores sincrónicos
Observando este cuadro podemos establecer que, cuando la turbina de
accionamiento es de baja velocidad, se requerirá de generadores de un gran
número de polos, por lo que estos alternadores serán de polos salientes y
requerirán inducidos en el estator con un gran perímetro, en el cual pueden ser
insertadas sus bobinados.
En nuestro país, en la mayoría de minicentrales hidroeléctricas de potencias de
hasta 200 KW, se utilizan mecanismos de transmisión, que permitan utilizar
generadores de 1800 R.P.M., de 4 polos, que son los más comunes de fabricación
y disponibilidad en el mercado local, tanto por su tamaño como por su costo.
Las velocidades de generadores a partir de 1200 r.p.m, hacia abajo, generalmente,
son utilizados para rangos de potencias mayores a 250 KW y casi siempre su
acoplamiento a la turbina, es efectuado directamente sobre un mismo eje.
La eficiencia de un generador eléctrico, como el de cualquier máquina o dispositivo
de conversión de energía, se define como la relación de su potencia de salida a la
de su entrada.
-60
Rendimiento = Potencia de salida (3.3)
Potencia de entrada
Esta fórmula puede expresarse más convenientemente como:
Rendimiento - Potencia de salida (3.4)
Potencia de salida + Pérdidas
Para calcular el rendimiento, generalmente se emplea la fórmula No. 3.4, ya que es
más conveniente y económico medir las pérdidas, que medir directamente las
potencias de entrada y salida.
La American National Standard Assocíation, ha puntualizado las siguientes
pérdidas a considerar en un generador sincrónico:
<* Pérdidas en el cobre, ó R.I2 , originadas en todos los devanados de la máquina.
*> Pérdidas mecánicas, debidas al rozamiento en escobillas, cojinetes, a la fricción
del aire, a la potencia necesaria para refrigeración ya sea por medio de
ventiladores incorporados internamente o exteriores, etc.
<* Pérdidas en el núcleo, en circuito abierto o sin carga, debidas a la histéresis y a
las corrientes parásitas, originadas por variaciones de la densidad del flujo en el
hierro.
*> Pérdidas adicionales, que comprenden las debidas a la distribución no uniforme
de la corriente en los conductores del inducido y las adicionales en el núcleo,
debido a la distorsión del campo magnético producido por la corriente de carga.
-61 -
El rendimiento de los generadores modernos es elevado y crece en relación con su
potencia. Ei cuadro No. 5, presenta los rendimientos de generadores sincrónicos
de 1800 r.p.m, para varios porcentajes parciales de carga , factor de potencia 0.8,
rotores de 4 polos y frecuencia de 60 Hz, para potencias del rango que se usan en
minicentrales hidroeléctricas. (Fabricante: ANSALDO - Italia)
POTENCIAKVA31.2395062.575100125270400550600
KW2531.240506080100216320440480
RENDIMIENTO(%)4/4 3/486.7 87.187.5 87.988.0 88.689.0 89.389.5 89.890.6 90.990.0 90.492.6 92.893.2 93.394.2 94.394.4 94.4
1/2
86.987.888.589.189.690.790.292.693.094.094.1
CUADRO No. 5.- Potencias y rendimientos para generadores sincrónicos de 4polos, 1800 r.p.m., 60 Hz, f.p.=0.8 (Fábrica ANSALDO - ITALIA)
3.2.3 SISTEMAS DE EXCITACIÓN DE GENERADORES SINCRÓNICOS
La excitación de los alternadores sincrónicos, se realiza por medio de corriente
continua que recorre el circuito de las bobinas inductoras del rotor.
El sistema de excitación consta de aparatos y máquinas, cuyo objeto es suministrar
la energía necesaria para excitar el alternador.
El trabajo que desarrolla el sistema de excitación, puede resumirse en dos
funciones importantes:
- 6 2 -
• Mantener la intensidad de corriente rotórica en el valor necesario, durante las
perturbaciones o cambios de carga del generador.
• Restablecer tan rápido como sea posible, el valor prescrito de la tensión del
generador, desde que se produce la variación de este (mantener la tensión en
bornes del alternador).
La potencia del equipo de excitación depende de la capacidad y tipo de generador
a utilizarse. Para generadores de pequeña potencia y bajas velocidades, la
potencia de la excitación puede estar aproximadamente entre el 1% y el 3% de
potencia total del generador; para generadores de mayor velocidad y gran potencia,
la capacidad del sistema de excitación puede ser menor al 1 %.
Los generadores cuyas capacidades se encuentran dentro del rango de potencias
para minicentrales, utilizan comúnmente, los sistemas de excitación siguientes:
a) Sistema de excitación, utilizando como excitatriz un generador de corriente
continua.
b) Sistema de excitación, utilizando como excitatriz un generador de corriente
alterna sin escobillas y rectificadores de silicio montados sobre un disco, que
giran sobre el mismo eje del rotor del generador.
c) Sistema de excitación estática, cuya alimentación de corriente alterna la toma
del mismo generador y cuya transformación a continua, se la realiza por
intermedio de elementos y circuitos de estado sólido.
En general y en particular, en los casos citados, la regulación del voltaje generado
por el alternador será manejado por el regulador electrónico de voltaje, que opera
como un aparato supervisor de control automático.
-63
En forma simplificada se puede decir, que la operación del regulador automático de
voltaje, consiste en medir electrónicamente el voltaje AC del generador, comparar
una muestra rectificada de éste, con un voltaje de referencia y suministrar la
corriente al devanado de excitación del generador, con el fin de mantener constante
cierta relación predefinida entre el voltaje de referencia y el del generador.
Para mantener el voltaje de generación constante, en realidad el regulador de
voltaje, afecta primordialmente la energía reactiva de la máquina, ó lo que es lo
mismo la corriente de excitación, que por ende significa modificar el factor de
potencia.
A medida que la carga de una generador varía, el regulador de voltaje, ajusta la
corriente de excitación de la máquina, a fin de mantener constante el voltaje del
generador.
Finalmente señalemos que, de los tres tipos de sistemas de excitación que hemos
anotado, el indicado en la figura No. 3-3 como (a), es un método clásico que por
mucho tiempo ha venido siendo usado por muchos generadores y que
principalmente, presenta inconvenientes que tienen que ver con problemas de
enfriamiento y conservación de anillos, colector y escobillas.
Los otros dos métodos (b) y (c) citados, son procedimientos de excitación modernos
que evitan el empleo de escobillas, contactos deslizantes y que presentan otras
ventajas sustanciales, tales como: una mayor velocidad de respuesta, menor
oscilación de la tensión del generador, etc.
n.v.
-64-
NOMENCLATURA GENERAL
/ - GENERADOR SINCRÓNICO (G)2 - EXC/TATRÍZ í EXC.)3 - REGULADOR DE VOLTAJE f R.V.)4 - TRANSFORMADOR CORRIENTE5 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL PARA SEÑAL
DE REGULADOR DE VOLTAJE6 - TRANSFORMADOR DE POTENCIAL DE AUMENTACIÓN
HACIA RECTIFICADORES
FIGURA 3-3
SISTEMAS DE EXCITACIÓN PARA GENERADORES SINCRÓNICOS
I a) - SISTEMA DE EXCITACIÓN CON GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUAf b) - SISTEMA DE EXCITACIÓN CON GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA
SIN ESCOBILLAS Y RECTIFICADORES QUE ROTAN EN EJE DEL ROTORf e ) - SÍSTEMA DE EXCITACIÓN EXCITACIÓN ESTÁTICA
-65 -
3.3 PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DEL GENERADOR
3.3.1 DIMENSIONES
La selección del generador esta influenciado directamente, por el tipo de turbina
que se escoja en una central.
El tipo de turbina seleccionada, determina tres factores importantes que afectan al
tamaño del generador y son; la orientación, potencia y velocidad,t
Es posible adoptar una configuración horizontal o vertical del generador, en función
de la selección del tipo de turbina y del diseño específico de la central de energía.
Una configuración vertical, requiere de una excavación más profunda y por ende de
una estructura más elevada de la planta de casa de máquinas.
Una configuración horizontal, aumenta el ancho de la planta y al mismo tiempo
disminuye la excavación y la altura total de la unidad.
La potencia y la velocidad del generador, está en relación directa con la potencia y
velocidad fijadas para la turbina.
El tamaño del generador para una potencia en KVA fijos, varía inversamente con la
velocidad, pues observando la fórmula No. 2.4, se establece que a un mayor
número de polos del rotor y una frecuencia eléctrica establecida (para nuestros
sistemas 60Hz.), se reduce al número de revoluciones, pero se aumenta el tamaño
del generador y a la inversa, al disminuir el número de polos del rotor del campo, se
eleva las revoluciones o velocidad del generador y se disminuye su tamaño.
- 6 6 -
Por lo tanto, el costo del generador subirá, si aumenta su potencia ó disminuye su
velocidad. Constructivamente los generadores a utilizarse en una configuración
vertical cuestan más que los de configuración horizontal, debido a que en los
primeros se deberá adicionar un cojinete de empuje.
Cuando se parte de fijar la potencia en bornes del generador, la misma que
considera la capacidad instalada, en función de un análisis de demanda y además,
de tomar en cuenta las pérdidas de transmisión y distribución, se puede determinar
la potencia que se requiere de la turbina, también denominada Potencia al freno de
la turbina. (Pt).
Su cálculo se puede realizar utilizando las siguientes fórmulas:
Ptr=Pg/Tlfl (3.5)
Pt = Ptr/Thr = Pg/Tlg.riír = KVA.COS3>/Tlg.71tr (3.6)
Donde:
Pt = Potencia al freno de la turbina
Ptr = Potencia transmitida al generador
Pg = Potencia del generador del KW
Tjg = Eficiencia del generador
-ritr = Eficiencia del sistema de transmisión
KVA = Potencia aparente del generador
cos<E> = Factor de potencia del generador
Cuando el acoplamiento es directo entre la turbina y el generador, es decir que la
velocidad de la turbina es igual a la velocidad del generador, la potencia al freno de
la turbina, es igual a la potencia transmitida al generador.
-67 -
Cuando existe alguna forma de transmisión, se puede considerar la eficiencia de
estos mecanismos ! tomando los valores dados en el cuadro No. 6
TIPOS DE TRANSMISIÓN
Engranajes o multiplicadores
Poleas con bandas o fajas en V
EFICIENCIA (TI tr)
0.98
0.95
CUADRO No. 6.- Eficiencias de sistemas de transmisión de velocidad, turbina-generador
En forma específica, para el caso de fa minicentral hidroeléctrica La Florida, se ha
partido de fijar la potencia nominal del generador en 100 KW, capacidad
establecida por la Comunidad Económica Europea-Foderuma Banco Centra! del
Ecuador, beneficiaría de este diseño a través del convenio suscrito con la Escuela
Politécnica Nacional,
Esta potencia disponible se considera que cubrirá las necesidades de la zona a
servirse, tanto domésticas como de los programas de industrialización de diferentes
tipos, que pretenden ¡mplementarse.
Como máquina matriz, se utilizará una turbina de flujo cruzado tipo Michell Banki de
disposición horizontal, que utilizará un sistema de transmisión de velocidad a través
de poleas y fajas en V.
Los datos fundamentales del diseño mecánico de la turbina, realizados por la
Escuela Politécnica Nacional, para la minicentral La Florida y que interesan en la
selección del tipo de generador son:
- 6 8 -
TURBINA
Tipo: Flujo cruzado Michell Banki
Disposición: Horizontal
Velocidad: 765 r.p.m.
Potencia: 157 HP.
Caída: 40 mts.
Caudal max: 0.5 m3/seg.
Efic. Teórica: 70%
SISTEMA DE TRANSMISIÓN
Tipo: Poleas con fajas en V
Número fajas: Nueve
Efic. Teórica: 95%
Veloc. entrada: 765 r.p.m.
Veloc. salida: 1800 r.p.m.
Con éstos datos se establece directamente, que el generador sincrónico a
seleccionar, es para montaje en disposición horizontal y de velocidad 1800 r.p.m.,
lo que significa además, que siendo la frecuencia eléctrica de nuestro sistema 60
Hz., corresponde a su rotor disponer de cuatro polos y que este sea del tipo de
polos salientes.
3.3.2 PARÁMETROS ELÉCTRICOS, MECÁNICOS Y OTROS
Una vez que se han definido la orientación, potencia y velocidad, las demás
especificaciones del generador, son factibles de ser establecidos fácilmente,
mediante consulta en catálogos de fabricantes, los mismos que se basan en
normas internacionales de fabricación, tales como las ANSÍ, BS, VDE, IEC, etc.
- 6 9 -
Los principales parámetros eléctricos del generador que faltan definirse son: la
tensión del generador, el factor de potencia, el sistema de excitación y regulación
de voltaje, tipo de conexión, tipos de aislamiento, etc.
La tensión en bornes del generador seleccionado, es 220 Voltios entre fases, en
razón de ser un valor estandarizado por los fabricantes y además, por cuanto este
nivel de voltaje es compatible con el equipo de medición, de control, de protección
de equipos auxiliares, de instalaciones de alumbrado, etc., lo que permite evitar el
uso de transformadores de voltaje, que encarecen el costo de la instalación.
El factor de potencia requerido para el generador es 0.8 en retardo, en
consideración de ser el recomendado por los fabricantes, de construcción standard
y además, por cuanto las características de la carga a servirse, señalan el uso en el
futuro de una aprecíable potencia del tipo' inductivo, como son la utilización de
motores de inducción principalmente, lo que significa consumo de potencia
reactiva.
El sistema de excitación recomendado para este generador, será el de una
máquina de corriente alterna sin escobillas y diodos rotativos (Ver figura No. 3-3
(b)), montados en el extremo libre del eje del rotor del generador.
Este tipo de excitación es igualmente de construcción standard, para potencias del
orden que utilizará el generador de la minicentral hidroeléctrica La Florida.
Los diodos rotantes del sistema de excitación, constituyen un sistema de
rectificación de onda completa que suplen de corriente directa al campo del
generador.
Los voltajes típicos del campo del generador van desde 24 VDC hasta 125 VDC, de
acuerdo a las características técnicas del mismo y según el origen del fabricante.
- 70 -
Para efectuar la regulación del voltaje del generador, se utilizará un Regulador de
Voltaje de estado sólido, cuya función primordial es controlar automáticamente la
corriente de excitación del generador, para asegurar que el voltaje nominal fijado en
los bornes de éste, se mantenga estable ya sea en vacío o con carga.
Los actuales reguladores electrónicos de voltaje, permiten obtener precisiones de
regulación del voltaje del orden del ±1% con variaciones de velocidad de hasta el
10%, tiempos de respuesta mínimos y una gran estabilidad. En el plano de diseño
P14, se observa las conexiones del regulador de voltaje al generador.
El tipo de conexión del estator del generador, será estrella con neutro accesible
para conexión a tierra. Deberá disponer de una caja o bornera de conexión, con los
6 terminales de salida de las bobinas del estator, para interconexión externa.
Otro aspecto a definir, es el tipo de aislamiento de los bobinados del generador,
el cual fija las temperaturas admisibles del material aislante que se utiliza.
Las normas NEMA proporciona una guía para esta definición, las cuales fijan tres
clases de aislamiento de principal interés en las máquinas industriales; estas clases
son las B, F y H.
Para una temperatura ambiente de 40 °C y para una máquina cerrada con
ventilación forzada como es el caso del generador sincrónico a utilizarse, la
temperatura admisible para la clase B es 80°C, la clase F es 105 °C y la clase H es
125°C.
Para el presente caso de la minicentral en estudio y a fin de darle un mayor grado
de seguridad a su funcionamiento, se elige un generador cuyo nivel de aislamiento
corresponda a la clase F , con lo que se cubre con suficiencia las temperaturas
admisibles, que se esperan durante el funcionamiento del generador.
-71 -
Otra característica a especificar en la selección del generador, se refiere al grado
de protección contra contacto, cuerpos extraños y agua, de la carcaza o caja que
contiene al generador, que están determinados por las normas DIN e IEC y que se
denomina grado de protección IP, comúnmente asumido por todos los fabricantes
de generadores, en función de las condiciones y aplicaciones específicas de
utilización de la máquina.
En las minicentrales de nuestro país, los generadores que se utilizan, vienen
generalmente fabricados con grados de protección IP21 ó IP23 y para nuestro caso
concreto, optaremos por un grado de estos. El cuadro No, 7 explica en forma
abreviada, los grados de protección indicados y el significado de sus cifras
características.
CIFRACARACTERISTICA
1a CIFRA CARACTERÍSTICA:GRADO DE PROTECCIÓNCONTRA CONTACTOS YCUERPOS EXTRAÑOS
2a CIFRA CARACTERÍSTICA:GRADO DE PROTECCIÓNCONTRA AGUA
O Ninguna protección especial Ninguna protección especialNinguna protecció'n contracontacto intencional, pero sícontra cuerpos de superficiegrande. Mantiene alejados acuerpos extraños de diámetrosuperior a 50 mm.
Protección contra la caída verticalde gotas de agua
Protección contra contacto con losdedos u objetos semejantes.Protege contra cuerpos extrañosde diámetro superior a 12 mm.
Protección contra gotas de agua,cayendo en un ángulo de hasta15° con respecto a la vertical
Mantiene alejados a cables yalambres de diámetro superior a2.5 mm.Protección contra cuerposextraños de diámetro superior a2.5 mm.
Protección contra rociados deagua, cayendo en un ángulo dehasta 60° con respecto a lavertical.
CUADRO No. 7.- Descripción abreviada de grados de protección IP, para cajasenvolventes o encapsulamientos de equipo eléctrico, según normas DIN e IEC.
- 72 -
Finalmente, con respecto a la definición de los parámetros eléctricos del generador,
se acostumbra a especificar el valor de la corriente alterna de salida, pese a que
el mismo, se encuentra implícitamente indicado al haberse definido su potencia y el
factor de potencia. De la fórmula No. 3.7, puede fácilmente conocerse este valor:
P = V3 x V x.A x cos<X> (3.7)
Donde:
P - Potencia trifásica del generador
V = Voltaje entre fases del generador
A = Corriente de línea del generador
cos<£> = Factor de potencia del generador
Despejando A y aplicando los valores definidos de los restantes parámetros
eléctricos del generador, a ser utilizado en la Minicentral La Florida, la corriente
nominal será:
A = P / V3 x V x cosO = 10O.OOOW / V3 x 220V x 0.8 = 328.04 Amperios
Las especificaciones mecánicas que faltan conocerse del generador, se refieren
fundamentalmente a la sobre velocidad, número y tipo de cojinetes, sistema de
ventilación, etc.
La sobre velocidad del generador, en este caso, es provocada por la denominada
velocidad de embalamiento de ia turbina hidráulica, la misma que por concepto es
la máxima velocidad que puede soportar una turbina. Este evento suele ocurrir,
cuando la central se encuentra operando a plena capacidad y súbitamente la carga
del generador se desacopla, provocando un ¡nusitadp aumento de la velocidad de
la turbina y el sistema de regulación de velocidad no actúa, debido a defectos de
momento no previstos, o por fallas internas del mismo.
- 73 -
Las velocidades de embalamiento, difieren entre los fabricantes, debido a las
variaciones de diseño en las turbinas y generadores. La velocidad de embalamiento
de la turbina influye sobre las proporciones del generador y los materiales
estructurales que se requieren para su rotor.
En el caso de la Minicentral Hidroeléctrica La Florida, el diseño de la turbina
contempla como velocidad de embalamiento en función de sus características, un
valor del 125% de la velocidad nominal, con lo que el generador deberá estar
construido y solicitado para soportar idéntico porcentaje de sobre velocidad. (2,250
r.p.m.)
En función de la disposición horizontal de la turbina, el generador a solicitarse
deberá disponer de una sólo cojinete principal, el mismo que soportará el empuje
axial de la turbina (presión axial).
Para los tipos y potencias de generadores de minicentrales, los fabricantes ofrecen
generalmente cojinetes de bolas auto lubricadas o cojinetes de bolas que requieren
ser lubricados con grasa en forma periódica.
El sistema de ventilación para el enfriamiento del rotor y estator de estos tipos de
generadores, generalmente se realiza por medio de circulación forzada de aire. El
sistema consta de un ventilador axial, calado sobre el eje, que aspira el aire desde
el lado opuesto al acoplamiento y lo hace circular a través de canales existentes,
en las chapas del estator y por el entrehierro.
La circulación del aire que se produce, es debida a la fuerza viva comunicada al
aire por las paletas del generador.
Otros aspectos que deben mencionarse al especificar un generador, se refieren a la
temperatura ambiente, altura del sitio de instalación y tipo de servicio.
-74-
Para nuestro caso, se especificará como temperatura ambiente 40°CI altura del sitio
de instalación 1000 metros sobre el nivel del mar y tipo de servicio continuo, esto
último, en razón de que una minicentral hidroeléctrica se diseña, para que la misma
opere en forma ininterrumpida.
Los fabricantes de generadores señalan en sus informativos técnicos, los diferentes
coeficientes de corrección de potencia nominal, en función de la temperatura
ambiente, altura del sitio de instalación sobre el nivel del mar y factor de potencia.
El cuadro No. 8, presenta los diferentes valores de los factores de corrección a la
potencia nominal de generadores síncronos, de la fábrica italiana ANSALDO.
^
TEMPERATURA AMBIENTE (°C)FACTOR K1
ALTURA SOBRE EL NIVEL DELMAR (m)FACTOR K2
FACTOR DE POTENCIAFACTOR K3
301.04
10001
11
351.02
15000.96
0.81
401
20000.93
0.70.93
450.96
25000.9
0.60.88
500.92
30000.86
0.50.84
550.88
0.30.82
00.8
CUADRO No. 8.- Factores de corrección de la potencia nominal de ungenerador, en función de la temperatura ambiente, altura del sitio deinstalación y factor de potencia (Fábrica de generadores ANSALDO - ITALIA)
Observando el cuadro anterior podemos establecer, que los factores de corrección
de K1, K2 y K3 para el caso de nuestro generador seleccionado son 1, por lo que la
potencia nominal especificada originalmente, no se modificará.
Para completar la selección del generador, finalmente en el siguiente numeral se
tratará de su sistema de protecciones.
-75-
3.4 PROTECCIONES DEL GENERADOR
3.4.1 GENERALIDADES
Los generadores constituyen el equipo más caro en un sistema eléctrico de
potencia, siendo diseñados para funcionar con un alto factor de carga durante un
largo número de años y estar sometidos más que ningún otro equipo del sistema, a
los más vanados tipos de condiciones anormales de trabajo.
A pesar de que un sistema de generación, siempre dispone de equipo de medición
y control, que ayuda a corregir o mantener al mínimo, las condiciones anormales de
funcionamiento que se presenten, importantes fallas eléctricas y mecánicas pueden
suceder en forma imprevista, por lo que los generadores deben disponer de relés
de protección, los cuales en caso de ocurrencia de una falla, rápidamente inician la
desconexión de la máquina del sistema e inclusive dependiendo de la naturaleza
de la falla, pueden ordenar una completa parada de la máquina.
El tratar de proteger un generador, contra todas las condiciones anormales de
funcionamiento que se presenten, mediante el uso de protecciones sencillas y
confiables, ha conducido a una profunda divergencia de opiniones entre los
diseñadores, por lo que no existe ningún estandard internacional, que permita
señalar el esquema ideal de protecciones, para los diferentes tipos y tamaños de
generadores.
Los denominados "estándares comunes" , varían entre los diferentes países y más
aún entre las empresas o compañías de electricidad en un mismo país.
En general los esquemas de protección, obedecen a experiencias propias y a
diseños en los cuales, las estadísticas de fallas comunes, se vean interpretadas.
-76-
3.4.2 CRITERIOS DE SELECCIÓN
Para el caso específico que nos ocupa, el sistema de protección seleccionado para
el generador de la central en diseño, se ha basado en los siguientes criterios;
a) Sistemas de protección y estadísticas de las fallas comunes, en minicentrales
hidroeléctricas instaladas en nuestro país, que trabajan con generadores de
potencias y características similares al seleccionado, para la minicentral La
Florida.
b) Alternativas de sistemas de protección para generadores sincrónicos, del rango
de potencias utilizados en minicentrales hidroeléctricas, recomendadas por
fabricantes o empresas eléctricas de otros países,
c) Aprovechar las facilidades constructivas que presenta el Sistema Eléctrico-
Electrónico de Regulación de Velocidad de la turbina, el mismo que esta
planeado ejecutárselo ¡ocalmente y en el cual es factible a bajo costo, insertar
varias protecciones del generador,
d) Disponibilidad financiera del proyecto, que permita ¡mplementar un mayor grado
de protección del sistema generador.
Los cuadros No. 9 y No. 10, resumen los criterios expresados en los literales a) y b)
respectivamente.
Bajo estas condiciones se plantea los siguientes tipos de protecciones para el
generador de la central:
-77 -
1. Protección térmica mediante termistores (TAL), para protección de altas
temperaturas en las bobinas del estator, ocasionadas por defectos mecánicos
en su sistema de ventilación, o por la ocurrencia de sobrecargas eléctricas
. prolongadas. Las sondas de los termistores en las bobinas del generador, son
del tipo PTC y trabajan, conectadas en serie, con la bobina de un relé de
señalización de banderas. Ver plano de diseño P4.
2. Protección de sobrecarga (SCA) dependiente de la corriente, cuyo relé recibe la
señal eléctrica de un accesorio vatimétrico, permite calibrar los valores del
tiempo y porcentaje de sobrecarga, al que operará está protección.
3. Protección de sobre voltaje (>V)
4. Protección de bajo voltaje (V<)
5. Protecciones de sobre corriente y sobre carga, para fallas externas al
generador, por intermedio de los disparadores termomagnéticos ajustables, del
interruptor general de carga (IG) de caja moldeada.
6. Protección de sobrevelocidad (>F)
7. Protección de baja frecuencia (F<)
Las cinco primeras protecciones son de carácter eléctrico y las dos restantes, en
realidad son protecciones que consideran fallas de carácter mecánico.
Las protecciones indicadas en los numerales 3, 4, 5 y 6 se han planeado fabricarlas
localmente, incluyéndolas en el sistema electrónico del regulador de velocidad, en
razón de las facilidades constructivas que este presta, para controlar los
parámetros eléctricos, que manejan dichas protecciones.
-78-
CENTRALHIDROELECTRICA
Cuyuja
Oyacachí
Pucayacu
Baeza
La Bonita
Molleturo
Angamarca
Oña
Zumba
Vallodolid
Borja
TIPO DETURBINA YPROCEDENCÍA
Ossberger/AlemaniaBanki/Ecuador
Francis/Suiza
Pelton/AlemaniaFrancis/China
Francis/China
Franícs/China
Banki/ltalia
Banki/ltalia
Banki/ltalía
Banki/ltalia
POTENCÍA DELGENERADOR(KW)30
50
80
100
120
120
2x150
100
200
200
200
TIPO DEGENERADOR
Sincrónico
Sincrónico
Sincrónico
Sincrónico
Sincrónico
Sincrónico
Sincrónico
Sincrónico
Sincrónico
Sincrónico
Sincrónico
FALLASCOMUNES DELSISTEMA
SobrevoltajeCortocircuitoSobrevoltajeCortocircuitoSobrevoltajeCortocircuitoSobrevoltajeCortocircuitoSobrevoltajeCortocircuitoExterno
SobrevoltajeCortocircuitoExternoSobrevoltajeCortocircuitoExternoSobrevoltajeCortocircuitoExterno
SobrevoltajeCortocircuitoExternoSobrevoltajeCortocircuitoExternoSobrevoltajeCortocircuitoExterno
PROTECCIONES
InterruptorTermomagnéticoInterruptorTermomagnéticoInterruptorTermomagnéticoInterruptorTermomagnéticoInterruptor TérmicoSobrecorrienteSobrevoltajeSobrecargaIdéntico al anterior
Idéntico al anterior
InterruptorTermomagnéticoProtección térmicaSobrecargaSobrevelocidadBaja velocidadIdéntico al anterior
Idéntico al anterior
InterruptorTermomagnéticoProtección térmicaSobrecargaSobrevelocidadBaja velocidadSobrevoltajeBajo voltajeSobrecorriente
CUADRO No.- 9 Características electromecánicas, fallas comunes y tipos deprotección de minicentrales instaladas en el país por INECEL.
-79-
FABRICANTEEMPRESAELÉCTRICA
O RANGOCAPACIDADLOSGENERADORES
DEDE
TIPOS DERECOMENDADAS
PROTECCIONES
Asea Relays Rara generadoresmenores de 5 MW
Relé de falla a tierra del estator (59N)Relé de falla a tierra del rotor (64)Relé diferencial del generador (87)Relé de ímpedancia de corto circuito (21)Relé de sobrevoltaje (59)Relé de sobrecalentamiento del estator (49)
Mitsubishi Para generandoresde hasta 100 KW
Relé de sobrecogiente con tiempo (51)Relé de sobrevoltaje (59)Relé de sobrecorríente de campo ( 76)
Electrobras Para generadores depotencias inferiores a300 KW y mínimaprotección
- Disyuntores de caja moldeada con dispositivostermomagnéticos ajustables (52)
Para generadores depotencias de hasta300 KW y de nivel deprotección mejorada
- Relé de sobrecorríente (51)- Relé de sobrevoltaje (59)- Relé de sobrecorríente a tierra (51M) (Parafallas externas)- Relé de sobrecarga (49)- Relé de secuencia negativa (46)
CUADRO No.- 10.- Protecciones recomendadas por fabricantes y EmpresasEléctricas, para generadores de pequeñas centrales hidroeléctricas.
3.5 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL GENERADOR SELECCIONADO
Establecemos a continuación en forma específica, las características técnicas del
generador seleccionado para la minicentral, en función de todos las
consideraciones discutidas en el transcurso del presente capítulo:
Tipo:
Disposición:
Fases:
Generador sincrónico sin escobillas
Para montaje horizontal
3
-80 -
Conexión:
Potencia:
Voltaje:
F.de Potencia:
Corriente de línea:
Frecuencia:
Velocidad nominal:
Tipo de Rotor:
Número de polos:
Sobrevelocidad:
Clase aislamiento:
Grado protección carcaza:
Estrella con neutro accesible para conexión a tierra
125 KVA
220 V.
0.8
328 A.
60 Hz.
1800 r.p.m.
De polos salientes
4
125%
Tipo F
IP23
Ventilación:
Sentido de rotación:
Eficiencia:
Tipo deservicio:
Temperatura ambiente:
Altura sitio montaje:
Tipo axial, con aspiración del lado opuesto al
acoplamiento, con ventiladores tipo radial.
Ambas direcciones
Mínimo 90% a potencia nominal
Continuo
40 °C
lOOOm.s.n.m.
Protección térmica: Cada bobina del estator llevara en el extremo del
devanado un termistor resistencia detectora de
temperatura) tipo PTC (positive temperature
coeficient).
Tipo de excitación: Excitatriz de corriente alterna de armadura rotatoria
y un sistema de rectificación de onda completa,
montados sobre el mismo eje del generador.
-81 -
Características Mecánicas:
Forma de Trabajo:
Cojinetes de bola, preferentemente autolubricados y
longitud libre del eje que permite montaje de
acoplamiento flexible.
Acoplado al sistema mecánico de turbina tipo Michell
Banki de central hidroeléctrica.
Regulación de Voltaje: Mediante la utilización de un regulador automático de
voltaje de estado sólido, que será construido
localmente bajo las siguientes especificaciones:
' Voltaje nominal de alimentación: 208 - 240 V. AC
c Voltaje continuo de salida: O -125 V. DC
c Corriente de salida: 0 -5 Amperios máximo
r Frecuencia nominal: 60 Hz.
' Regulación de voltaje: ± 0.1 % de vacío a plena
carga, para factor de potencia 0.8 a 1, con variación
de velocidad de hasta ± 10%.
' Tiempo de respuesta: 0.5 seg. máximo - ajustable
' Estabilidad y respuesta: ajustable en función de la
potencia del generador
Protecciones: Detección de baja velocidad y limitación
de corriente, ajustables.
c Ajuste exterior de voltaje: ± 10% del voltaje nominal,
por intermedio de un potenciómetro localizado en el
exterior del regulador.
' Temperatura de trabajo: Máximo 70 °C.
Las especificaciones técnicas que se han determinado, cubren los requerimientos para
efectuar la compra o pedido de fabricación del generador.
CAPITULO IV
4.1 CRITERIOS GENERALES
El sistema de regulación de velocidad de la turbina, es el equipo de control
fundamental, en el funcionamiento de la central.
El sistema de control de velocidad elegido, es el denominado "Eléctrico Electrónico
con Disipación de Carga", cuya tecnología ya ha sido desarrollada en nuestro
medio y de la cual, el país cuenta con experiencias propias, a través de
Instituciones como fueron INECEL e INE en la instalación de las minicentrales de:
Cosanga, Borja (Ñapo), Zumba, Valladolid (Zamora Chinchipe) y Tablón de Oña
(Loja), Maldonado (Carchi), Oyacachi (Ñapo), Buenos Aires (imbabura) etc., y
experiencias de investigación, de la propia Escuela Politécnica Nacional.
Tratándose de una central hidroeléctrica, los equipos auxiliares son mucho menos
numerosos que en una planta de gas, vapor o a diesel y dependiendo de su función
y diseño, requerirán, que se prevea el suministro de energía en corriente alterna o
continua, indispensable para desarrollar su trabajo.
Los sistemas complementarios de los que nos ocuparemos, se refieren a:
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
- 83 -
<* Sistema de corriente continua.
*> Sistema eléctrico de la válvula de entrada.
<* Malla de tierra de la central.
<» Sistema eléctrico de iluminación y fuerza.
En cuanto se refiere al sistema de control de velocidad de la turbina, de
conformidad con la propuesta original del temario de tesis, se explica su
funcionamiento en forma general, mediante diagramas de bloques, se enuncian las
ventajas que este sistema ofrece, con respecto a otros tipos de reguladores de
velocidad y no se contempla en forma específica, realizar los cálculos de los
componentes y circuitos electrónicos que lo conforman.
4.2 SISTEMA DE REGULACIÓN DE VELOCIDAD DE LA TURBINA
Las minicentrales hidroeléctricas generalmente tienen como principal función, el
servir a poblaciones rurales aisladas, de modo que una unidad (como es nuestro
caso) abastece de energía a las redes eléctricas del sitio y regula autónoma e
independientemente la frecuencia de la red. Para esta forma de operación, es
necesario efectuar el control de la velocidad o frecuencia de la central, por medio
de un regulador de velocidad.
4.2.1 TIPOS DE SISTEMAS DE REGULACIÓN DE VELOCIDAD
Los sistemas de control de velocidad, que habítualmente se utilizan en las
minicentrales hidroeléctricas, son de dos tipos:
a. Sistema de regulación de velocidad por control positivo de flujo.
b. Sistema de regulación de velocidad por control de disipación de carga.
-84-
a. Regulación de Velocidad por Control Positivo de Flujo
Este sistema de regulación de velocidad esta constituido por elementos de
detección, control y actuadores para realizar el control de velocidad al eje de la
turbina.
POTENCIAA VOLTAJEY CORRIENTE
Va r<rf.
FIGURA No. 4-1.- Ubicación general del sistema de regulación de velocidad
por Control Positivo de Flujo en un Sistema Eléctrico de Generación.
Existen algunos tipos de reguladores con control positivo de flujo. La ubicación
general en el sistema de generación, de un regulador de velocidad de este tipo, lo
muestra la figura No. 4-1 y puede establecerse su clasificación en los dos grupos
siguientes;
1) Los de funcionamiento óleo-mecánico
2) Los de funcionamiento eléctrico-electrónico o electro-hidráulicos.
-85 -
1) El Regulador Óleo-mecánico.- Se denomina también Regulador Mecánico-
Hidráulico, se define como un sistema de gobernación de velocidad, en el cual la
señal de control en posición, es proporcional al error de velocidad. Las señales de
estabilización y compensaciones auxiliares son desarrolladas mecánicamente, para
luego ser amplificadas hidráulicamente. La figura No. 4-2 ilustra el esquema
fundamental de un regulador de velocidad Óleo-mecánico,
Los elementos o bloques de este tipo de sistema de regulación, se componen de:
4 Un detector de velocidad o tacómetro, acoplado al eje directamente por bandas
o motor asincrónico con pequeños deslizamientos.
+ El mecanismo de control que consta de: mecanismos de varillaje, servomotores
hidráulicos, etc., que relacionan el desplazamiento del tacómetro con la posición
referencial de velocidad (comparador), para identificar un error en posición, que
a su vez, controla el sentido del flujo del aceite a presión, al servomotor
hidráulico de control de la turbina.
4 Un elemento actuante, que mueve los mecanismos para el control del flujo de
agua de la turbina, debido a la acción del control del gobernador, que consiste
de un servomotor de fuerza hidráulica. Los servomotores pueden ser de
compuerta, de reflector, de aguja o inyector y de posición angular de hélice.
2) El Regulador Electro-Hidráulico.- Se define como un sistema de gobernación
de velocidad, en el cual la señal de control eléctrico es proporcional al error de
velocidad o frecuencia, y la compensación es procesada eléctricamente (señales
continuas para controlador analógico o señales por pulsos para controlador digital),
para luego ser amplificadas hidráulicamente, en un proceso similar al regulador
Óleo-mecánico.
- 86 -
VAR1ADORDELESTATISMOPERMANEf̂ TE
VAR1ADOR DE VELOCIDAD
VARIADOR DEL ESTATISMOTEMPORAL
CIERRA }
ABRE
FIGURA No. 4-2.- Esquema de un regulador Óleo-Mecánico
Los elementos o bloques que componen el regulador electro-hirdáulico, tienen las
mismas funciones que el regulador Óleo-mecánico, pero su instrumentación en
gran parte de carácter eléctrico (desarrollados en las últimas décadas), dispone de
una mayor capacidad de resolución y precisión, que los elementos mecánicos
tradicionales, así tenemos:
El detector de velocidad o tacómetro que puede ser: un generador tacométrico
acoplado al eje; un frecuencímetro de precisión que detecte directamente la
frecuencia eléctrica de la red; transductores modernos como son los detectores
magnéticos colocados cerca del eje que emiten pulsos por revoluciones o
también convertidores de frecuencia a voltaje (circuitos integrados).
-87-
4- Consoladores o controles prográmateles, construidos en circuitos analógicos,
digitales e híbridos (analógicos-digitales). Este tipo de circuitos han permitido
mejorar y ampliar las funciones de control, al tener información adicional de la
potencia de carga eléctrica entregada, información de las posiciones reales del
servo de la compuerta, servos pilotos de pre-amplifícación hidráulica, etc., que
permiten desarrollar diversos niveles de control y compensación, principalmente
si estos son prográmateles.
4- Elementos actuantes para el control del flujo de agua de la turbina debido a la
información eléctrica del Sistema de Control que pasa por medio de
transductores electromecánicos (servo-válvulas o electro-magnetos) que
controlan el camino del fluido hidráulico, al amplificador hidráulico (análogo del
Sistema Óleo-mecánico).
La figura No. 4-3, muestra un diagrama de bloques de un regulador Electro-
Hidráulico, construido en la Escuela Politécnica Nacional para laboratorio.
b. Regulación de Velocidad por Control de Disipación de Carga
La forma aislada como en general trabaja una minicentral hidroeléctrica, da lugar a
que la principal variable a controlarse sea la frecuencia, por lo que se ha ideado
una forma de control indirecto de ia misma, mediante el control de la carga vista por
el generador.
Este tipo de regulador se conserva constante la carga eléctrica del alternador,
manteniendo así constante el torque mecánico sobre el eje de la turbina, lo que
involucra también un flujo constante de agua.
La potencia eléctrica generada por el alternador, se distribuye en dos cargas;
-88-
4 Carga correspondiente a los consumos de ios usuarios que es variable (carga
de la red).
4- Carga auxiliar destinada a consumir la potencia no utilizada por los usuarios, la
misma que es comandada por el regulador de frecuencia.
La carga auxiliar total, debe tener la capacidad de consumir toda la potencia
generada por el alternador.
Los sistemas electrónicos de regulación de carga que se han desarrollado, utilizan
técnicas analógicas, digitales, híbridas o computarizadas y en este caso específico,
el control del regulador, no actúa sobre el mecanismo de distribución de la turbina,
sino sobre la carga auxiliar (bancos de resistencia), es decir sobre la parte eléctrica
de la central.
La figura No. 4-4, muestra el diagrama de bloques de un regulador de velocidad por
control de carga, así como su disposición general en un sistema de generación
eléctrica.
En la parte 4.2.3 del pre'sente capítulo se explica con mayor amplitud, la
composición y el funcionamiento del regulador de velocidad con control de
disipación de carga, pues este es el sistema adoptado para la minicentral.
- 8 9 -
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SENSOR DE VELOCIDAD
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TUERCA/TORNILLO
VARILLA DERE AUMENTACIÓN
CILINDRO INYECTORHIDRÁULICO
TRANSOUCTOR DE VELOCIDAD
FIGURA No. 4-3.- Diagrama de bloques y estructural de un Regulador de velocidad Electro-Hidráulico.
-90-
FLUJOdeAGUA
Wnrfmanual
Vdref
Potencia aVotoíoVaCorriente te
CARGA
riiiiiiiiiii
•
fmadlamed
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CONTROLDE
FRECUENCIA
YCORRIENTE
1
ACTUADOR
PRINCIPAL
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CARGA
* AUXILIAR
SISTEMA DE REGULACIÓNPOR CONTROL DE DISIPACIÓN DE CARGA
(a)
Conmutadorpondetodo
ControlPT
-rfSCR
Banco
de
R
Rotonda Mac***
ARCompon*.
(b)
FIGURA No. 4-4.- (a) Ubicación general en un Sistema Eléctrico de Generación
del regulador de velocidad con Control de Carga, (b) Diagrama de bloques del
regulador de velocidad con Control de Carga.
-91 -
4.2.2 COMPARACIONES Y VENTAJAS DEL SISTEMA DE REGULACIÓN DE
VELOCIDAD POR CONTROL DE DISIPACIÓN DE CARGA
Con respecto a los reguladores por control positivo de flujo, el sistema de control de
velocidad eléctrico-electrónico con disipación de carga, presenta las siguientes
ventajas:
> Este tipo de regulador es de alta velocidad de respuesta, lo que permite que
pueda obviarse el volante como parte del equipo mecánico de ia central, que en
el caso de los sistemas de regulación con control de flujo, es un componente
obligado.
> La tecnología electrónica permite fácilmente conseguir precisión desde el punto
de vista constructivo y además, conseguir fácilmente acciones de control
modernas que dan lugar a lazos de control precisos, como son las acciones de
control "Proporcional-Integral-Derivativa", con la consiguiente ventaja en la
regulación de velocidad sobre los otros sistemas.
> Este sistema de control de velocidad es predominantemente de estado sólido, lo
que significa que no se requiere, como en los otros sistemas de control de
velocidad, de dispositivos mecánicos, mecánico-hidráulico, o electro-hidráulico,
que requieren de servicios adicionales como son: bombas hidráulicas,
generadores eléctricos auxiliares, etc., además, de un mantenimiento continuo y
una operación cuidadosa.
> Por las razones que expuestas anteriormente, el sistema de regulación por
control de carga, requiere de un reducido mantenimiento preventivo y en razón
de su alta confiabilidad, permite evitar personal de operación permanente.
-92-
> Facilidad constructiva del regulador de carga en el país, tanto por la experiencia
en el conocimiento que involucra la tecnología del sistema, cuanto por que la
mayoría de sus elementos se encuentran disponibles localmente. Por el
contrario, un regulador óleo-mecánico requiere de una avanzada tecnología
mecánica para su construcción, ya que algunas de sus piezas deben .ser
construidas con gran precisión y dicha tecnología, es muy difícil de encontrar en
el país.
> El diseño del regulador de velocidad por control de carga, es factible de que sea
inmune a la tolerancia de los componentes,, a variaciones de temperatura,
tensión o frecuencia, mediante la utilización de elementos ampliamente sobre
dimensionados.
> De fácil adecuación para su operación en paralelo con otra fuente de energía.
4.2.3 CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONAMIENTO DEL REGULADOR DE
VELOCIDAD POR CONTROL DE DISIPACIÓN DE CARGA DE LA
MINICENTRAL LA FLORIDA
El sistema de regulación de velocidad, basado en el control eléctrico-electrónico de
la carga del generador, sustenta su principio, en mantener constante la carga
eléctrica del generador, mediante la adición de una carga auxiliar, constituida por
un banco de resistencias disipadoras de calor.
Para el efecto, la carga auxiliar tiene una potencia similar a la capacidad nominal
del generador. Al iniciar la operación, el generador alimenta exclusivamente a la
carga auxiliar, suministrando su potencia nominal o la que permita, la posición de
apertura de los alabes directores (apertura de alabes calibrable). Esta potencia se
conservará constante.
-93-
Al conectar la carga exterior (usuarios), la potencia en la carga auxiliar se reduce
en el valor exacto de la potencia externa conectada, de manera que, como ya se
indicó anteriormente, la potencia total en el generador se mantendrá constante. Es
obvio suponer entonces, que si la carga eléctrica vista por el generador es
constante y se mantiene un caudal prefijado de agua en la turbina, la velocidad de
la misma no se alterará.
El regulador de velocidad, utiliza un sistema de conexión-desconexión de estado
sólido, basado en la utilización de tiristores para el manejo de la carga auxiliar.
Automáticamente realiza el control del ángulo de retardo, en el activado de los
tiristores del banco de carga resisitiva, que está en línea de regulación.
Siempre habrá un grupo de resistencias que estén totalmente conectadas y un
grupo totalmente desconectadas, mientras que un banco de 10 KW, estará
sometido al control de fase, a fin de tener un control continuo de la carga auxiliar
conectada al generador.
Un panel metálico, denominado como "Tablero de Control de Carga del Regulador
de velocidad", aloja exclusivamente lo que constituye el sistema eléctrico o de
fuerza del regulador de velocidad, que está constituido por 30 pares de tiristores
con los respectivos disipadores de calor y circuitos de excitación de compuerta,
barras de cobre por fase, etc.
En la puerta frontal de este tablero, se disponen lámparas de señalización que
están asociadas a los grupos de tiristores y que permiten visualizar, la conexión y
desconexión de la carga auxiliar por fase.
Internamente existen ventiladores que producen la circulación de aire para el
enfriamiento requerido. Los planos de diseño P8 y P9, muestran el esquema interno
y externo del tablero de control de carga descrito.
-94-
En otro tablero, denominado 'Tablero Principal de Control y Protecciones", se aloja
el equipo electrónico-digital de regulación de velocidad (Ver plano de diseño P6), el
cual mide la velocidad, en base al muestreo de la frecuencia de la señal de voltaje
del generador. Esta muestra es comparada con la referencia (60 Hz) y dependiendo
del error existente ,se ordena ia conexión o desconexión de carga auxiliar.
El equipo de control de velocidad se alimenta del bus de corriente continua de la
central (24 Vdc) y recibe las señales de las tres fases y neutro del generador.
Tiene un panel frontal de indicación que incorpora una pantalla de cristal líquido
que visualiza información sobre el voltaje generado, la frecuencia y el número de
bancos resistivos conectados.
Las figuras No. 4-5 y No. 4-6 muestran el diagrama de bloques funcional y la
composición y tipo de software que maneja el regulador de velocidad de control de
carga que se utilizará en la minicentral La Florida.
MEDIDOR DEFRECUENCIA
FIGURA No. 4-5.- Diagrama de bloques funcionales, del regulador de
velocidad de control de carga, de la Minicentral Hidroeléctrica La Florida.
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- 9 6 -
EI regulador de velocidad está basado en tecnología digital microprocesada e
incorpora los circuitos electrónicos detectores de falla, que a continuación se
enumeran:
1. Relé de sobre voltaje
2. Relé de bajo voltaje,
3. Relé eje sobre frecuencia instantáneo
4. Relé de baja frecuencia
5. Relé instantáneo de baja frecuencia.
En forma digital, mediante un teclado en el panel del regulador, se puede calibrar
los límites de actuación y el tiempo de operación de estos relés detectores de falla.
Cada falla es indicada en el panel, mediante un indicador luminoso tipo led y se
dispone de contactos normalmente abiertos y cerrados asociados a cada relé.
Estos contactos servirán para hacer operar los sistemas de alarma, señalización y
disparo de la central, de acuerdo a la lógica que se describe más adelante.
En el panel digital del regulador de velocidad, se ha incluido la indicación de fallas
del cargador de baterías, del relé detector de nivel de agua del tanque de presión,
del relé de falla por alabe cerrado y del relé de alta temperatura del generador.
Para el efecto se disponen entradas específicas en el equipo. De esta forma, se
concentra en un solo panel electrónico, la indicación digital de todas las fallas y del
estado de operación del generador (Ver planos de diseño P18 y P19)
De todos los componentes que constituyen el sistema general de regulación
velocidad por control de carga, tan solo los bancos de resistencias (carga auxiliar)
podrán ser importados, ya que no se disponen de buena calidad constructiva en
nuestro país.
-97-
Los bancos de resistencias, estarán montados en un cuarto independiente con
ventanas malladas, a fin de garantizar su enfriamiento, mediante una buena
circulación de aire. Se han previsto diez (10) bancos trifásicos resistivos, que
disipen hasta 10 KW cada uno, de conexión en delta y cuya resistencia se calcula
utilizando la siguiente fórmula:
P r=3xVf 2 /R (4.1)
Donde:
Pr - Potencia trifásica del banco (10 KW.)
Vf = Voltaje entre fases (220 V.)
R = Resistencia por fase del banco.
Despejando R y reemplazando valores se tiene que:
R = 3 x (220)2 / 10.000 = 14,52 ohmios.
El tipo de resistencias seleccionadas, corresponde a bancos trifásicos de
resistencias de acero inoxidable, que vienen montadas en gabinetes metálicos de
acero inoxidable, con louvers de ventilación y todos los accesorios para montaje y
conexión.
En los catálogos de fabricantes de resistencias de carga, se deberá elegir aquellos
tipos que se encuadren dentro de los parámetros eléctricos y mecánicos
requeridos.
Los planos de diseño P9 y P10 muestran las conexiones internas y externas de los
bancos de resistencia.
-98-
4.3 SISTEMA DE CORRIENTE CONTINUA
La propuesta de diseño de la minicentral hidroeléctrica La Florida, considera el
diseño de un sistema de corriente continua, para alimentar equipos y circuitos
auxiliares de la central.
Los equipos y circuitos de la central, que alimentará el sistema de corriente
continua, son principalmente los siguientes:
*> Circuito de fuerza y control de ¡a válvula de entrada de agua a la turbina.
*> Circuito de control y protecciones.
*> Regulador de velocidad.
*> Circuito de señalización y luces de emergencia.
Los circuitos y equipos auxiliares que hemos anteriormente descrito, son tan
importantes, que sin ellos no puede funcionar la central, por lo que para mejorar el
grado de contabilidad y garantizar la continuidad dei servicio de estos, su
alimentación se la realiza con corriente continua desde un banco de baterías, el
mismo tiene la posibilidad de suplir la demanda de los servicios auxiliares, en los
períodos de falla o de salida normal de servicio, de la central.
El plano de diseño P3, se muestra el esquema general de los circuitos del sistema
de corriente continua de la central.
4.3.1. ELEMENTOS DEL SISTEMA DE CORRIENTE CONTINUA
Los elementos que conforman el sistema de corriente continua son:
El cargador de baterías.
Banco de Baterías.
La carga.
- 9 9 -
La figura No, 4-7, muestra la configuración general del sistema de corriente
continua, denominado de "Barra flotante con un solo cargador de baterías", que es
el esquema adoptado para nuestra central.
La barra de carga de este esquema, es alimentado desde el sistema de corriente
alterna a través de en cargador de baterías. Igualmente es conectado directamente
a la barra un banco de baterías, el cual absorbe desde el cargador la corriente
necesaria para mantenerse en condiciones óptimas de carga.
Cuando eventualmente, se produce una sobrecarga que rebasa la capacidad del
cargador, el exceso de corriente es suministrado por el banco de baterías; luego de
superado el evento, el banco de baterías vuelve a absorber la corriente desde el
cargador, para recuperar su capacidad de suministro.
ALIMENTACIÓN C, A,
CARGADDR
BATERÍAS
„ BANCD DE
-=- BATERÍAS
BARRA
) ) )CARGAS
FIGURA No. 4-7.- Esquema general de un sistema de corriente continua de
Barra Flotante.
- 1 0 0 -
Cuando no se dispone de la alimentación del cargador, debido a fallas internas del
mismo o del sistema de corriente alterna, entonces es el banco de baterías, quien
suministra la energía a la carga, en esos períodos de emergencia.
4.3.2 DIMENSIONAMIENTO DE LA CAPACIDAD DEL CARGADOR Y DEL
BANCO DE BATERÍAS
Para definir la capacidad del cargador y del banco de baterías, es necesario
conocer algunos datos del sistema de corriente continua, a saber:
Voltaje de corriente continua del sistema
Voltaje de alimentación de corriente alterna del cargador.
Tipo de batería
Tipos de carga y ciclo de trabajo
El nivel de tensión de corriente continua del sistema, ha sido establecido en 24
voltios. La adopción de este valor se justifica tanto por razones técnicas cuanto por
razones económicas.
Es claro que mientras se pueda elegir el valor de tensión normalizado más bajo, se
obtendrán ahorros de costos, por cuanto se requerirá un menor número de baterías
por banco y por otra parte, el equipo y aparatos del sistema costarán menos.
Otro aspecto que se toma en cuenta en esta definición, se refiere a la facilidad de
encontrar en el mercado local, los equipos y aparatos del nivel de tensión elegido.
La tensión de alimentación de alterna del cargador de baterías es de 220 voltios y
el tipo de batería seleccionada, es la de plomp-ácido de 12 voltios, en razón de su
amplia difusión en el mercado local, versatilidad, contabilidad, facilidad de
mantenimiento y menor costo con respecto a otro tipo de baterías.
-101 -
Las características de la carga y su ciclo de trabajo se definen, previo al cálculo
del banco de baterías.
a. Dimensionamiento del banco de baterías.
Definimos las características de las cargas, desde los puntos de vista de su
magnitud y comportamiento;
1. Motor de corriente continua de la válvula de entrada de agua, cuyas
características nominales son: 1/2 HP, 15.5 A. y 24 V. Se ha estimado que el
tiempo de funcionamiento de la válvula por operación (cierre o apertura) es de
40 segundos, de los cuales 10 segundos se considera que funcionan con la
corriente de arranque (8 a 10 veces la corriente nominal) y el resto de tiempo
con la corriente nominal.
Se ha fijado en 6 las operaciones de la válvula de entrada, que el banco de
baterías puede suplir autónomamente, sin que ocurra que e! voltaje en los bornes
del banco, sea menor al 10% de su voltaje nominal.
2. La carga impuesta por los sistemas de protección, señalización y del regulador
de velocidad es de máximo 4 A. Esta carga es permanente (Cp) durante el
funcionamiento de la central y en el caso de los períodos en que sale fuera de
servicio, la misma se ha considerado que opera por un tiempo de hasta 1 hora.
En la carga de luces de emergencia, se considera la utilización de 2 lámparas de
60 vatios por un tiempo de hasta 3 horas, durante una parada de la central.
Con estos datos, calculamos la capacidad del banco de baterías en Amperios hora
(Ah), de la siguiente manera:
-102-
Carga válvula de entrada:
6(15.5 x 30/3600 + 155 x 10/3600) = 3,36 Ah.
Carga de los sistemas de protección, señalización y Regulador de velocidad:
4 x 1 = 4 Ah.
Carga de luces de emergencia:
2(2,5x3)= 15Ah.
Carga total del banco(Cb): ( 3,36 + 4+15) = 22,36 Ah
Con la carga que se impone al banco de baterías por el lapso de 3 horas se puede
calcular la corriente de descarga del banco de baterías (Id) por hora:
Id = 22,36/3 = 7,45 A.
De la figura No. 4-8 se pueden establecer las relaciones, para calcular el tiempo
total de descarga del banco de baterías (Td). En la indicada figura, se ha
establecido como parámetros de diseño, que el banco de baterías inicia su
descarga a partir del denominado "Voltaje de Flotación" (Vf), que es el voltaje que
recibe el banco, del cargador de baterías, cuando se encuentra completamente
cargado; además que el voltaje mínimo (Vm) que tendrá el banco en su bornes, al
término del período de descarga de 3 horas, será un 10% menor al voltaje nominal
(21.6 voltios).
- 1 0 3 -
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Vfn.VoltaJe de flo-fcacl6n
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Vn.i.Vol-taJe nTnlrco del banca
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Td.i.Tlenpa de descarga "total
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FIGURA No. 4-8.- Característica lineal teórica voltaje-tiempo de descarga, de
un banco de baterías de 24 voltios para Minicentral La Florida.
De la figura No. 4-8, se puede plantear la siguiente proporción:
26,4 V / Td = (26,4 - 21,6) V / 3 h
De donde se encuentra que, el tiempo de descarga total del banco de baterías Td
será:
Td = 26,4 V x 3 h/ 4,8 V = 16,5 h
-104-
Por tanto la capacidad del banco de baterías (Qb), será igual a:
Qb = Id xTd = 7,45 Ax 16,5 h = 123 Ah (4.2)
Con este resultado, escogemos baterías de 12 voltios de capacidad 125 Ah y 19
placas, que es el valor normalizado por los fabricantes nacionales.
b. Dimensionamiento del cargador de baterías.
Para calcular la capacidad del cargador de baterías, se utilizará la siguiente
fórmula:
Qc=Cp + (1,l xQb)/H (4.3)
Donde:
Qc = Capacidad del cargador de baterías (amperios)
Cp = Carga permanente del sistema (amperios)
Qb - Capacidad del banco de baterías (amperios- hora)
H = Tiempo de carga del banco (horas)
Se considera un tiempo de carga del banco de baterías de 10 horas, (este período
de carga es recomendable tomarlo entre 5 y 10 horas) a fin de que la corriente de
carga constante, se sitúe entre 0,1 C y 0.2C (C es el número de Ah de la batería),
que son valores recomendados por los fabricante para baterías de plomo.
Reemplazando valores en la fórmula No. 4.3, se tiene que la capacidad del
cargador es:
Qc = 4 A+(1,1 x125A-h)/10h
= 4A+13,75A=17,75A
-105-
Se requerirá por tanto, de un cargador de baterías de una capacidad nominal de 20
amperios.
En la figura No. 4-9, se muestra el esquema típico de los circuitos de potencia y
control, de un cargador de baterías, diseñado por la Compañía MACROTECNIC,
para diversos niveles de tensión y capacidad de corriente, y bajo cuyos
lineamientos se construirá, el cargador de baterías de la central.
4.3.3 CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DE CORRIENTE CONTINUA A
UTILIZAR.
El nivel de voltaje del sistema de corriente continua es de 24 V.D.C., está
constituido fundamentalmente por un banco de 2 baterías, de 12 V, 125 Ah, tipo
ácido-plomo, conectadas en serie, y un cargador electrónico, basado en un
rectificador con tiristores.
El cargador de baterías está alojado en un módulo independiente, que dispone de
medidores de voltaje y corriente D.C. ubicados en la parte frontal, así como de
potenciómetros para ajustes de la corriente de carga y del voltaje de flotación. Ver
plano de diseño P15
Internamente, el cargador incorpora un relé detector de falla de funcionamiento,
cuyos contactos, están disponibles para señalización y operación en falla de la
central.
El cargador electrónico está basado, en un transformador reductor de potencial que
alimenta a un rectificador monofásico sen^icontrolado, que permite mediante el
control del ángulo de conducción de ios tiristores, regular la corriente y voltaje que
se entrega al banco de baterías.
- 1 0 6 -
Para el efecto, el cargador tiene una tarjeta electrónica, que se encarga de medir el
estado de carga de las baterías y seleccionar en forma automática, el régimen de
carga: corriente constante, flotación o ecualización.
Los planos de diseño P16 y P17 ¡lustran el esquema de conexiones externas y los
componentes internos del cargador de baterías.
La adquisición de las baterías y la construcción del cargador se realizarán
¡ocalmente.
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-108-
4.4 SISTEMA ELÉCTRICO DE CONTROL Y FUERZA, DE LA VÁLVULA DE
ENTRADA DE AGUA DE LA TURBINA.
El diseño de la minicentral hidroeléctrica La Florida, contempla la utilización de una
válvula de entrada de agua junto a la turbina, cuya operación de cierre y apertura
se ha previsto sea realizada eléctricamente, mediante un motor-reductor de
corriente continua y ios respectivos circuitos de control y fuerza.
Los datos y características importantes de la válvula fijadas en el diseño mecánico
de la central son las siguientes:
> Se requiere de un motor-reductor eléctrico de una potencia nominal de entrada
1/2 HP y velocidad de 1800 RPM; velocidad de salida 225 RPM
> La válvula a utilizar es de compuerta tipo lenteja, a montarse en una tubería de
presión de 0,60 metros de diámetro. El coeficiente estático de rozamiento acero-
bronce de la superficie de la válvula es 0,7.
> El tiempo que demora la válvula en la operación de apertura o cierre, se lo ha
establecido en aproximadamente 40 segundos.
En la operación de apertura y cierre de la válvula, e! motor eléctrico y su sistema
mecánico reductor, deberán estar en capacidad de proporcionar el torque
mecánico suficiente, que permita vencer la diferencia de presiones existente
(fuerza de rozamiento), en los lados de la válvula de entrada de agua.
Se considera como características de funcionamiento de la válvula, que la carga
será variable, e inclusive que disminuya notablemente (ausencia o disminución
del flujo de agua), por lo que el motor podría funcionar prácticamente en vacío y
entonces se requiere mantener una velocidad constante, ante estos cambios.
-109-
Para efectos de diseño, interesa decidir primeramente, el tipo de motor de corriente
continua a utilizar en la operación de la válvula, anotándose que, el nivel de
tensión de trabajo es de 24 voltios y la corriente nominal 15,5 amperios (P/V - I).
4.4.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Y
DEFINICIÓN DEL TIPO A UTILIZAR EN LA VÁLVULA.
Para definir el tipo de motor de corriente continua, que mejor se acople al trabajo a
desempeñar en la operación de la válvula de entrada, es necesario conocer las
principales características de funcionamiento, de los diferentes tipos de motores
que son factibles de instalarse.
Principalmente, existen cuatro tipos de motores de corriente continua, que
corresponden a cuatro clases de excitación del sistema inductor:
a) Motor de excitación independiente.
b) Motor de excitación shunt o derivación.
c) Motor de excitación serie.
d) Motor de excitación compound o compuesta.
Los tres últimos tipos de motores descritos, corresponden a máquinas que utilizan
el principio de la autoexcitación (magnetismo remanente), en las cuales la corriente
de excitación procede del inducido propio de la máquina. El motor de excitación
independiente, debe disponer de una fuente exterior para alimentar el arrollamiento
inductor.
En la figura No, 4-10 (a) y (c), se indica las conexiones de los motores de excitación
independiente y tipo shunt respectivamente, observándose en ambos esquemas,
que los motores están alimentados a tensión constante, sin que esto influya en e!
régimen de trabajo del motor, por lo que resultan equivalentes desde el punto de
- 1 1 0 -
vista eléctrico. En lo que sigue, se anotarán las características de funcionamiento
del motor shunt, siendo también válidas para el motor de excitación independiente.
Por otra parte, en el caso de un motor compound, este lleva dos arrollamientos de
excitación, uno serie y otro shunt, por lo que las características de velocidad, torque
y mecánicas, serán intermedias o una combinación de las de un motor serie y de
las de un motor shunt.
(a)
\AAAAAAA
(c)
SAAAAAAA it~WjuuuuJ
(d)
FIGURA No. 4-10.- Conexiones del circuito de excitación en máquinas de
continua, (a) Excitación independiente; (b) en serie; (c) en derivación; (d)
compound.
En el cuadro No. 11, se detalla las principales características de los tres tipos de
motores de corriente continua, a partir de las cuales se puede determinar el tipo de
motor que conviene instalar en la válvula de entrada de agua de la turbina,
tomando en cuenta los requerimientos del diseño mecánico antes expuestos.
MOTOR DE EXCITACIÓN
SHUNT
MOTOR DE EXCITACIÓN
SERIE
-111 -
MOTOR DE EXCITACIÓN
COMPOUND
La velocidad es
sensiblemente constante
con la variaciones de
carga.
La velocidad es
inversamente proporcional
a la carga. La velocidad en
vacío es prohibitivamente
alta.
La velocidad puede queda
limitada a valores
aceptables y no hay
peligro de embalamiento
El grado de estabilidad es
elevado
Menor estabilidad que el
motor tipo shunt
Combina las
características de
estabilidad de los motores
shunt y serie
El par es
aproximadamente
proporcional a la corriente
en el inducido
Alto torque de arranque y
potencia sensiblemente
constante.
Alto torque de arranque
Se utiliza cuando se
requiere velocidad
constante con una carga
que es variable.
Se utiliza preferentemente
donde se requiera un par
de arranque grande y no
exista la posibilidad de
trabajar en vacío, por el
peligro de embalamiento.
Se utiliza donde se
requiere un par de
arranque grande y una
velocidad que permanezca
constante.
CUADRO No. 11.- Características de funcionamiento de motores de corriente
continua
Realizando un pequeño análisis de los requerimientos y las características técnicas
de los motores de corriente continua que se anotan en el cuadro anterior, pueden
establecerse los siguientes criterios;
-112-
1) El motor ideal para este trabajo, es el tipo compound, fundamentalmente por
cuanto se puede disponer de un par de arranque grande y obtenerse una
velocidad constante, que son las características que mejor se acomodan a las
solicitaciones de funcionamiento de la válvula. La desventaja es su costo, que
resulta ser el más elevado de los tres tipos y que se incrementará
substancialmente si no resulta ser de fabricación estandarizada.
2) Otra alternativa de selección la presenta el motor tipo serie, en razón de que
una de sus características intrínsecas es la de proporcionar un elevado torque
de arranque, aspecto importante en el funcionamiento de la válvula de entrada
de agua; desgraciadamente existe el peligro de embalamiento cuando la carga
disminuya notablemente o tenga que operar en vacío, pues esta es una
condición del diseño mecánico de funcionamiento de la válvula. Por está razón
no se considera el uso de este tipo de motor, pese a que su costo es el menor
de todos,
3) La tercera posibilidad es el uso de un motor tipo shunt, cuya característica de
mantener la velocidad constante frente a variaciones de la carga, cumple con
los requerimientos del diseño mecánico y de funcionamiento de la válvula. El
problema del insuficiente torque de arranque que presentaría, se resuelve
mediante el uso del equipo reductor mecánico que se acopla al motor, con lo
que en función de la relación de velocidades se logra amplificar a 8 veces el
torque (relación de velocidades; 1800/225 = 8).
El costo de adquisición, es intermedio entre un motor tipo compound y uno tipo
serie y es de fabricación estandarizada.
La siguiente ecuación explica la amplificación del torque mediante el uso de un
motor- reductor:
Potencia de entrada del motor-reductor = Potencia de salida del motor-reductor
113-
T1 XN1 =T2XN2 (4.4)
Donde:
T1 -Jorque de entrada
T2=Torque de salida
N1=Velocidad de entrada
N2=Velocidad de salida
En el caso que nos ocupa, los datos de partida de las velocidades son:
N1 = 1800 RPM
RPM
Aplicando la formula No. 4,4, se tiene:
T1 X 1800 = 12X225
De donde:
T2 = 8 T1
Los criterios expuestos en los literales 1), 2) y 3), nos llevan a definir que el motor
eléctrico de corriente continua que se utilizará en el sistema de operación eléctrica
de la válvula de entrada de agua a la turbina, será del tipo shunt, en razón de
cumplir los requerimientos técnicos del diseño mecánico y de funcionamiento
solicitados, además de que su costo es menor con respecto al del motor tipo
compound, que es la otra alternativa considerada.
- 1 1 4 -
4.4.2 CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA ELÉCTRICO
DE FUERZA Y CONTROL DE LA VÁLVULA
La válvula de entrada de agua a la turbina, en general representa un equipo de
seccionamiento, cuya misión es cerrar el paso del agua a la turbina cuando por
razones operativas, sea necesario; además, se constituye en un órgano de
seguridad que debe obturar el conducto, cuando exista embalamiento de la turbina.
Dentro de nuestro diseño eléctrico de la central, se contempla comandar la
operación de cierre de la válvula como medida de protección, ante la eventual
ocurrencia de cierto tipo de fallas, que a continuación las describimos:
1. Baja frecuencia
2. Sobre velocidad
3. Bajo nivel de agua del tanque de presión
4. Bajo voltaje del generador
5. Sobre voltaje del generador
6. Alabes de la turbina cerrados
7. Alta temperatura del generador
8. Falla del cargador de baterías
Bajo esta filosofía de diseño, describimos la composición y funcionamiento de los
circuitos eléctricos de control y fuerza de la válvula de entrada
a. Circuito de fuerza de la válvula de entrada de agua
En el plano de diseño No. P11, se observa el esquema de fuerza utilizado por el
motor shunt de corriente continua, para el funcionamiento de la válvula de entrada
de agua.
- 1 1 5 -
Por medio de los contactos principales del contactor 1ZC, se comanda la operación
de apertura de la válvula, mientras que el cierre se lo realiza utilizando los
contactos principales del contactor 1FC, cuya conexión, permite cambiar el sentido
de la corriente de alimentación del campo inductor del motor y por ende también el
sentido de giro del mismo. En ambas operaciones, la alimentación del inducido del
motor se realiza a través de los contactos principales del contactor 1C.
También puede observarse que, se utiliza una protección térmica (1RJ) par evitar
sobrecargas en el motor, que se traducen en peligrosos calentamientos del motor.
Los problemas de cortocircuitos, serán controlados a través del interruptor
termomagnético bipolar 17.
b. Circuito de control de la válvula de entrada de agua.
Los planos de diseño No. P2 y No. P11, muestran el esquema de control utilizado
en el funcionamiento de cierre y apertura de la válvula de entrada de agua.
El plano No. P11 muestra en forma específica, el control para el accionamiento de
la válvula de entrada de agua y el plano No. P2, su inserción dentro del esquema
general del control de la central.
La operación de apertura de la válvula de entrada de agua (que significa la
puesta en marcha de la central), se la realiza ubicando el selector S1 en la posición
1, con lo que a través de sus contactos ARR, se energiza la bobina del contactor
1ZC y portante el motor de la válvula arranca con sentido de giro a la derecha.
Cuando la válvula compuerta se encuentra completamente abierta, mediante un
tope mecánico se acciona el interruptor de posición FAS, abriendo su contacto
normalmente cerrado y desenergizando la bobina de 1ZC, con lo que el motor se
detiene.
116-
Obsérvese además, que durante la operación de apertura de la válvula, otro de los
contactos ARR, permite energizar el contactor auxiliar 1SJ y puentear
provisionalmente, la cadena de los contactos de los relés auxiliares de las 8
protecciones antes señaladas. Las protecciones comandan el cierre de la válvula
en forma automática, a través de la desenergización de 1SJ
Para provocar voluntariamente el cierre de la válvula de entrada de agua, se
ubica el selector de servicio SI en la posición 2, para que a través de su contacto
CVE energize la bobina del contactor 1FC y entonces arranque el motor con
sentido de giro a la izquierda. Cuando la válvula está completamente cerrada, un
tope mecánico acciona el interruptor de posición CRS haciendo que su contacto
normalmente cerrado abra, con lo que desenergiza la bobina de 1FC y entonces el
motor se detiene.
Durante todo el período que dura la operación de cierre o apertura de la válvula,
una señal luminosa (lámpara L6) de control de funcionamiento, permanece
prendida, la misma que es manejada por el contactor 1C cuya bobina se energiza
por intermedio medio de los contactos auxiliares de 1ZC y 1FC.
Cabe mencionar, que existen dos interruptores de posición, FAF y SSC, utilizados
para controlar el encendido de las lámparas L7 y L8 , para indicar respectivamente
válvula abierta o válvula cerrada. Ver plano P5.
El selector de servicio S1 se ubicará en la posición "O", cuando la central se
encuentre fuera de servicio y también cuando ia misma, una vez culminado el
proceso de puesta en marcha, se encuentra funcionando normalmente. En este
último caso, es importante la ubicación del selector de servicio S1 en la posición
cero ("O"), a fin de que la central esté preparada a responder en forma automática
por el cierre la válvula de entrada, ante la eventual ocurrencia de una determinado
falla que provoque esta operación.
-117
El pulsador SA, permite interrumpir momentáneamente el proceso de apertura o
cierre de la válvula, cuando esto sea necesario.
El pulsador de llave PEM es utilizado como parada de emergencia. Cuando se
opera este pulsador, su contacto normalmente cerrado se abre y da inicio al
proceso de cierre de ía válvula de entrada de agua, al suspender la alimentación de
la bobina del contactor 1SJ y este, a través de su contacto normalmente cerrado y
del puente de conexión LP1, accionan el contador 1FC, que es el que controla
acción de cierre. F14 y F15 son los fusibles de protección de este sistema de
control.
4.5 MALLA DE TIERRA DE LA CENTRAL
4.5.1 GENERALIDADES
Es indispensable que todo circuito eléctrico tenga un potencial de referencia al que
podamos dar un valor de cero, y esta referencia no puede ser sino la tierra.
Un sistema puesto a tierra, ofrece muchas ventajas entre las que destacaremos las
siguientes:
• Mayor continuidad de servicio
• Brinda seguridad para personas y equipos
• Eliminación de fallas múltiples a tierra
• Facilidad de localización de fallas
• Control de sobretensiones atmosféricas
• Se evitan sobrevoltajes estáticos, etc.
-118-
Como elementos de conexión a tierra pueden utilizarse todos los componentes
metálicos enterrados, como por ejemplo tubería o hierros estructurales de edificios
o casas, que ofrezcan permanentemente una resistencia pequeña al paso de la
corriente y que a la vez, se encuentren en unión íntima con el terreno.
En instalaciones de generación, transformación y transmisión de energía, es
factible de utilizarse electrodos especiales, alambres, tubos, mallas de cobre,
placas, varillas de copperweld, todos estos calculados en base a la resistencia que
se desee obtener.
4.5.2 DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRA DE LA MINICENTRAL LA FLORIDA
El dimensionamiento de una red de tierras, consiste en el cálculo de un conjunto de
elementos dispersores convenientemente conectados, de tal forma que se tenga
una resistencia a tierra resultante.
Datos para el Diseño.
La información que se requiere para el cálculo de la red de tierra es la siguiente:
1. Un plano de localización general que muestre la disposición del equipo
electromecánico de la central.
2. La corriente máxima de falla a tierra.
3. Datos de campo de la medición de la resistividad media del terreno, donde se
ubica la central,
4. Establecer los valores máximos admisibles, para las tensiones de paso y de
contacto.
-119
En lo que respecta al requerimiento del numeral 1, el plano de diseño No. P21
contempla la disposición de todo el equipo electromecánico de la central y la
localización misma de la malla de tierra al término de su cálculo.
La corriente máxima de falla a tierra en la central, ocurre en los bornes de
generador y el valor de la misma es de 3381 amperios y la explicación y forma de
cálculo se expone en el capítulo VI, parte 6.4,1.
Los valores de tensiones de seguridad de paso y de contacto recomendadas , son
60 V cuando no se prevé la eliminación rápida de una falla de línea a tierra y 120 V
cuando la falla se elimina en un período de un segundo. Para nuestro caso
específico utilizaremos el valor de 120 voltios.
Los datos de campo de las mediciones de la resistividad del terreno en donde se va
a montar la central y la malla de tierra, se realizaron utilizando un megger de tierra
y mediante el método de los cuatro electrodos.
Básicamente, lo que se hizo fue medir la resistencia del terreno en varías líneas de
prueba, tal como se indica en la figura No. 4-11 (b) y luego se calculó la resistividad
utilizando la fórmula:
p = 2xIIxaxR (4.5)
Donde:
p = Resistividad del terreno en ohmios-metro
a = Distancia entre electrodos en metros
R = Resistencia del terreno medida con el megger en ohmios.
u = Constante igual a 3,1416
- 1 2 0 -
En el cuadro No. 12 se resumen los valores medidos en campo, de la resistencia del
terreno y su conversión a valores de resistividad mediante la utilización de la
fórmula No. 4.5. Se anota además parámetros como humedad, temperatura, etc
Con los datos requeridos para calcular la malla de tierra, se procede en lo que
sigue al dimensionamiento de sus componentes. Para el efecto se utiliza las
fórmulas prácticas, que recomienda la Comisión Federal de Electricidad de México
(CFE), para el cálculo de redes de tierra en plantas y subestaciones
EQUIPO DE MEDICIÓN
L1-R1 =0.86x10 -R2=0.98x10
-R3=0.94x10
(b)
FIGURA No. 4-11 (a) Disposición de equipo para la medición de la resistividad
mediante el método de los cuatro electrodos, (b) Líneas de prueba del terreno
de la malla de tierra de la Minicentral La Florida.
-121 -
SEPARACIÓNVARILLAS
(m)
101010
LINEAS DEPRUEBA
1
R POhms ohms-m0,86 540,98 620,94 59
LINEAS DEPRUEBA
2
R POhms ohms-m0,27 17
LINEAS DEPRUEBA
3
R POhms ohms-m0,79 50
LINEAS DEPRUEBA
4
R POhms ohms-m0,95 60
RESISTIVIDAD PROMEDIO pp: 50,33 ohmios-metroPROFUNDIDAD ELECTRODOS (b): 30 CentímetrosTEMPERATURA AMBIENTE: 30 Grados CentígradosHUMEDAD EXISTENTE: BuenaESTADO DEL TIEMPO: Soleado
CUADRO No. 12.- Resultados de la medición en campo de la resistencia yresistividad del suelo, de la malla de tierra de la Central La Florida.
Cálculo de la Longitud del Conductor para la Malla de Tierra
La longitud total del conductor de la malla de tierra se calcula de acuerdo con la
siguiente expresión:
= (0 ,07xppx[ ) /Vc (4.6)
Donde:
L = Longitud total del conductor de la malla en metros,
pp = Resistividad media del terreno en ohmios-metro.
I = Máxima corriente de falla a tierra en amperios.
Ve = Tensión de contacto en voltios.
Reemplazando los respectivos valores en la fórmula No. 4.6, la longitud del
conductor de la malla es:
L = (0,07 x 50,33 x 3.381) /120 = 99,3 metros
-122-
La longitud encontrada resulta compatible con las dimensiones del área que se
proyecta utilizar como casa de máquinas y subestación (longitudes aproximadas de
13x11 metros). A esta longitud se añadirá las correspondientes salidas de la malla
hacia el exterior, para las conexiones a los diferentes equipos eléctricos de la
central.
Calibre del Conductor de la Malla de Tierra
En la red de tierras se utiliza generalmente conductores de cobre y solo en casos
muy especiales, se conoce que se puede utilizar conductor de aluminio. En
cualquier caso, la sección del conductor de tierra se calcula dividiendo la corriente
máxima de falla a tierra entre la densidad de corriente del material usado, es decir:
S = I/A (4.7)
Donde;
S - Sección del conductor en mm2
I - Corriente máxima de falla a tierra en amperios
A = Densidad de corriente del material usado en Amp/mm2
La densidad de corriente para el cobre es 160 y para el aluminio 100, por tanto
para nuestro caso ia sección del conductor al aplicar la fórmula No. 4.7 es:
S = 3.381 7160 = 21,13 mm2
Esta sección corresponde al conductor de cobre calibre No. 4 AWG., de acuerdo a
la designación americana de calibres de conductores. Sin embargo, el calibre de
conductor encontrado, resulta inferior al que recomienda la CFE, que para el caso
de corrientes de cortocircuito a tierra de hasta 4000 amperios, es del calibre No. 1/0
AWG.
-123-
Frente a estas dos opciones, nosotros optaremos por elegir el calibre del conductor
de cobre de la malla de tierra de la minicentral por el No, 1/0 AWG, en razón de
que siempre será mejor por seguridad, elegir una mayor sección del conductor y
por otra parte la práctica y experiencias obtenidas en instalaciones de similares
características en nuestro país, ejecutadas especialmente por INECEL,
recomiendan la utilización de este calibre de conductor.
Dentro de este mismo tema, definiremos también un aspecto que es importante y
que se refiere a el calibre del conductor de puesta a tierra de los pararrayos de la
subestación de la Central, utilizando la siguiente expresión:
S = 24 + 0,4Vn (mm2) (4.8)
Donde:
s = Sección del conductor en mm2
Vn = Tensión nominal del pararrayos en KV.
Si la tensión nominal de los pararrayos es de 10 KV., aplicando la fórmula anterior,
el conductor de puesta a tierra tendrá de una sección de 28 mm2 ,que corresponde
a un conductor de calibre mayor a el No. 4 AWG y cercano a el No, 2 AWG. Se
escogerá por tanto el conductor de cobre No. 2 AWG para la puesta a tierra de los
pararrayos.
Cálculo del Número de Electrodos de la Malla
Para calcular el número de electrodos de tierra que se necesitan para obtener una
resistencia de tierra requerida, se puede emplear las fórmulas recomendadas en la
guía de segundad de puesta a tierra en corriente alterna de la I.E.E.E.
Rt = p/271 nU {ln(4nL,/b)-1} (4.9)
-124-
Donde:
Rt - Resistencia de tierra de la malla
n = Número de electrodos de tierra
U = Longitud del electrodo
b = Radio del electrodo
p = Resistividad del terreno
A = Área cubierta por la malla
TC = Constante igual a 3,1416
In = Logaritmo natural
En la fórmula No. 4.9, el valor a determinarse es el número de electrodos (n) y se
aplica, cuando la separación entre ellos es mucho mayor que su longitud. Esta
expresión por lo general, se simplifica a la fórmula siguiente:
n = 0,60A1'2 (4.10)
Donde:
n = Número mínimo de electrodos
A - Área de la malla en m2
Reemplazando valores para nuestro caso, se tiene que el número mínimo de
electrodos que debe de tener ia malla de tierra es:
n = 0,60 (120)1/2 = 7 electrodos
Constructivamente, el diseño de la malla de tierra que se muestra en el plano P21,
contempla la disponibilidad de 11 electrodos (varillas de copperweid). La utilización
de un número mayor de electrodos siempre será beneficioso por cuanto mejora el
valor de la resistencia a tierra de la malla.
-125-
4.5.3 RESUMEN DE MATERIALES DE LA MALLA DE TIERRA
Los tipos y cantidades de materiales a utilizar en la malla de tierra de la Central La
Florida, se describen en el siguiente cuadro:
ÍTEM
01
02
03
04
ESPECIFICACIÓN
Conductor de cobre desnudo, cableado, 7 hilos, No. 1/0AWG.
Varilla de copperweld de 16 mm de diámetro y 2,40 m.De longitud.
Conector de cobre tipo perno hendido para calibre deconductor No, 2/0 AWG.
Conector para varilla de puesta a tierra para conductorNo. 1/0 AWG.
CANT.UNID.
140m.
11 u.
25 u.
11 u.
CUADRO No. 13.- Resumen de materiales y cantidades de la malla de tierra dela Central La Florida.
4.6 SISTEMA DE ILUMINACIÓN Y FUERZA DE CASA DE MAQUINAS,
El sistema de iluminación y fuerza de la casa de máquinas lo constituyen el
alumbrado interno y externo, así también los tomacorrientes instalados en su zona
interna.
Las instalaciones estarán protegidas y controladas por disyuntores
termomagnéticos de la capacidad adecuada, en función de la carga de cada
circuito de iluminación o de tomacorrientes, instalados en el tablero general de
distribución.
-126-
Los conductores a utilizarse para estas instalaciones serán aislados para 600
voltios y los calibres no serán menores al No. 14 AWG, en el caso de los circuitos
de iluminación y el No. 12 y No. 10 AWG, en el caso de los circuitos de
tomacorrientes. El calibre de conductor No. 8 AWG, se utiliza para la alimentación
(acometida) del tablero de distribución de las instalaciones.
En general, la ejecución de la instalación eléctrica de la casa de máquinas, estará
condicionada al tipo de construcción y destino del inmueble y se regirá en más, en
lo que para el efecto señalen el Código Eléctrico Ecuatoriano y otros manuales o
normas de uso común.
El plano P22, muestra el diseño de las Instalaciones Eléctricas de iluminación y
fuerza de la minicentral y en lo que sigue, se explicará la realización del mismo.
4.6.1 CALCULO DEL ALUMBRADO INTERIOR DE LA CENTRAL
El plano de diseño No. P22 se puede observar que el interior de casa de máquinas
de la Central se subdivide en 4 áreas que son: cuarto de resistencias, bodega,
baño y sala de tableros y equipos.
Por esta razón el cálculo de la iluminación puede realizárselo por cada zona, ya
que en cada área se desarrolla diferentes actividades. En razón de que mayoría de
las áreas de la minicentral son pequeñas, únicamente será de interés calcular como
ejemplo de aplicación, el alumbrado interior de la zona más grande e importante,
que es la sala de tableros y equipos, con el siguiente procedimiento:
Datos:
Dimensiones del área a iluminar
Área S - 48 m2
- 1 2 7 -
Longitud a = 8 m.
Ancho b = 6 m.
Altura H = 4 m.
• Altura de las luminarias sobre el plano de trabajo:
h = 1-1-1,50 = 4-1,50 = 2,50 m.
• Color del techo: gris claro factor de reflexión = 0,5
• Color de las paredes: blanco factor de reflexión = 0,5
• Color del piso: hormigón claro factor de reflexión = 0,3
• lluminancia medía recomendada Em = 200 lux
• Tipo de lampara: de vapor de mercurio HPLN175 W, 220 V, por su alto
rendimiento luminoso, larga vida y color de luz.
• Flujo luminoso de la lámpara F( = 8400 lumens
• Tipo de luminaria: Extensiva con reflector de aluminio-Sistema de alumbrado:
predominantemente directo, como el más adecuado para este tipo de actividad
(curva de distribución luminosa del Manual OSRAM A3 de la Tabla No. 20-4).
• El factor de conservación fc = 0,75 previendo una buena conservación de las
luminarias,
Cálculos:
índice del local K = a x b / h(a+b) = 6 x 8 7 2,5(6+8) = 1,37
-128-
Utilizando los datos de los índices de reflexión del techo, pared, piso, el índice del
local y la curva de distribución luminosa respectiva, en la tabla antes mencionada
del manual OSRAM, se encuentra que el rendimiento del local es: nR = 0.58
(interpolando entre k= 1,25 y K= 1,5).
El rendimiento de la luminaria nL = 0,77 (dato del fabricante)
Portante, el rendimiento de la iluminación se calcula aplicando la fórmula:
n = nRx n\_ (4.11)
Entonces: n = 0,58 x 0,77 = 0,45
El flujo luminoso total aplicando la fórmula:
F t = E M x S / n x f c (4,12)
Reemplazando valores: F = 200 x 48 / 0,45 x 0,75 = 28.444,00 Im.
El numero de luminarias será:
N = Ft / FI = 28.444,00 / 8.400,00 = 3,39 luminarias
Se toma 3 luminarias con lámpara de vapor de mercurio de 175 W, 220 V. como
respuesta y para completar el flujo luminoso restante, se utiliza 2 luminarias con
lámparas de luz incandescente de 200 W, 220 V, a fin de permitir mixturar el
sistema de alumbrado, con luminarias que dispongan de un arranque instantáneo y
que no se apaguen ante variaciones de la tensión, lo que es importante para el
trabajo que se realiza, en esta zona de casa de máquinas.
-129-
De conformidad con el tipo de luminaria escogido, se recomienda que las distancias
de instalación entre luminarias sea menor o igual a 1,6 h , es decir en nuestro caso
menor o igual a 4 m.
Los interruptores de control de encendido de las luminarias, se ubican en sitios de
fácil acceso y manejo, de forma que se pueda ver las lámparas que ellos
comandan. El montaje de los interruptores se realiza empotrándolos en la pared a
una altura no menor de 1.40 m, del suelo.
4.6.2 ALUMBRADO EXTERIOR DE LA CENTRAL
No se utiliza ninguna fórmula o método de cálculo, para definir el alumbrado
exterior del perímetro de casa de máquinas y de la subestación, por tratarse de
longitudes y áreas a iluminar relativamente pequeñas, en las cuales simplemente
se ha optado por utilizar luminarias de alumbrado público del tipo cerrado, que por
experiencia es lo que habitualmente se utiliza en estos casos.
El tipo de luminaria designada para el alumbrado exterior de casa de máquinas y
del área de la subestación, tanto por su alto rendimiento luminoso, larga vida útil,
aceptable reproducción de los colores y generalizada utilización, especialmente en
alumbrado público, corresponde a una luminaria con lámpara de vapor de mercurio
de 125W, 220V, tipo cerrada, con brazo y accesorios de montaje en poste y pared.
En cada una de 3 paredes externas de casa de máquinas, 'se instalará una
luminaria del tipo antes señalado y una cuarta luminaria, se ubicará en el poste de
la estructura de salida de la subestación.
-130 -
4.6.3 DETERMINACIÓN DEL SISTEMA DE TOMACORRIENTES Y PROTECCIÓN
DE LOS CIRCUITOS
Se ha establecido que para toda salida de tomacorrientes, se considera una carga
mínima de 200 vatios. La ubicación de los tomacorrientes depende de las
estimaciones de uso y de requerimientos futuros en ías diversas áreas de trabajo
de la central, por lo que en la zona de tableros de control y equipo electromecánico
se ubica la mayoría de tomacorrientes, mientras que en las restantes zonas,
únicamente se instala uno en cada una de ellas..
Los tomacorrientes se montarán al ras de la pared, utilizando cajas rectangulares,
alineadas adecuadamente, completamente cerradas, ubicados en sitios accesibles
y a una altura mínima del suelo de 30 centímetros.
Las instalaciones interiores de la central están protegidas y controladas por un
tablero general de distribución o de comando, que dispone de 6 interruptores
termomagnéticos de varias capacidades, como elementos de protección contra
sobrecargas y cortocircuitos de los alimentadores, de los diversos circuitos
eléctricos de las instalaciones.
Para el dimensionamiento de los interruptores termomagnéticos del tablero de
distribución, se ha tomado en cuenta la carga de cada circuito. Previamente a
establecer la capacidad de cada interruptor termomagnético, anotamos las
corrientes aproximadas de cada tipo de luminaria a utilizar;
• Luminaria de luz de mercurio tipo Industrial,
abierta, de 175 W., 220 v. 2 Amp.
• Luminaria de luz de mercurio para alumbrado
público, tipo cerrado, 125 W., 220 V. -1.5 Amp.
-131 -
• Luminaria de luz incandescente, tipo abierta
de 200 W., 220 V. 1 Amp.
• Luminaria de luz incandescente, tipo abierta
de 100 W., 110 V. 1 Amp.
Con todos estos datos y en función del número de lámparas por circuito que se
establece en el plano de diseño P22, las capacidades de los interruptores
termomagnéticos del tablero de distribución, para los circuitos de iluminación son
los siguientes:
Circuito ABC - = (3X2)+(2X1,5)+(2x1) = 11 Amp. - 15 Amp.
Circuito DEFGH = (2X1,5)+(2X1 )+(2X1) = 7 Amp, - 10 Amp.
En el circuito de tomacorrientes l-J, en función de las cargas de equipos y
herramientas que puntualmente requerirán ser alimentados, se ha adoptado por
instalar un interruptores termomagnético de 40 Amperios.
Se deja un circuito monofásico de reserva protegido con un interruptor
termomagnético de 40 Amperios.
CAPITULO V
DISEÑO DE PANELES DE CONTROL Y PROTECCIONES DE LA MINICENTRAL
5.1 DEFINICIONES Y CONSIDERACIONES TÉCNICAS
La principal función de! panel de control y protecciones de una central, es la de
controlar y monitorear todas las funciones de la planta. De allí se distribuyen las
señales a los equipos de operación y monitores de la central.
El tablero de control y protecciones permite informar y visualizar ai personal de
operación, ei estado de funcionamiento de la central durante todo su proceso
operativo, de forma que, de ser el caso de la ocurrencia eventual de una falla, esta
pueda ser discriminada fácilmente, permitiendo luego de ser analizado el evento,
reanudar su funcionamiento inmediato.
En el capítulo II, parte 2.3, numerales 2 y 3, se detalló en forma general la
propuesta de la composición del Sistema Eléctrico de Control y Protecciones de la
Mínicentral Hidroeléctrica La Florida, dando mayor detalle a las características de
los componentes.
Para tal efecto, se establecen datos y parámetros importantes, que sirven para
determinar y ubicar los componentes del Sistema de Control y Protección, a saber:
> El sistema de Control y Protección estará dispuesto en dos paneles.
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
-133
a. Panel Principal de Control y Protecciones:
En este primer panel se instala el sistema de control y protecciones de la
central propiamente dicha, e inclusive, se aloja el Sistema Electrónico Digital
de Regulación de Velocidad.
b. Panel de Control de Carga del Regulador de Velocidad:
En este segundo tablero de control, se montan los elementos de electrónica
de potencia (tiristores), tarjetas electrónicas de acoplamiento para el
activado de los SCR, fusibles de protección, aparatos de medición y
señalización del Sistema Eléctrico - Electrónico de Regulación de Velocidad.
> El nivel de tensión en corriente alterna de los equipos y aparatos a ser utilizados
es de 220/127 voltios, que es el voltaje nominal de generación. Para el caso del
lado de alta tensión del transformador de la subestación, se toma el nivel de
voltaje de 13200/7620 voltios.
> El valor de la corriente alterna nominal de 328 amperios, es el la capacidad a
tomar en cuenta para el dimensionamiento de los aparatos de protección,
transformadores de corriente, cables de fuerza, barras colectoras, elementos de
medida, etc.
> Los instrumentos de medida, tales como amperímetros y voltímetros de corriente
alterna, medidor de potencia activa, horómetro, amperímetro y voltímetro de
corriente continua, son de clase de precisión 1.5; el frecuencímetro es clase 0.5,
Estas clases de precisión que hemos adoptado son recomendadas por las
normas eléctricas internacionales como la VDE e IEC, siendo suficientes, para
permitir un buen control de los parámetros eléctricos del funcionamiento de la
- 134 -
central; su aplicación es práctica común en minicentrales o centrales térmicas
de pequeña capacidad.
> Los instrumentos de medida, relés de protección y otros equipos eléctricos que
trabajan con corriente alterna, se alimentan desde los secundarios de
transformadores de corriente de medida, de relación 400/5.
La intensidad secundaria de 5 amperios, está normalizada en nuestro medio,
salvo el caso en que se escoge 1 amperio, especialmente por razones de
longitudes apreciables en los cables de conexionado. La intensidad impuesta
para el primario de estos transformadores, tiene que ver con la capacidad de
corriente nominal del generador, que es de 328 amperios, por lo que
escogemos la corriente superior normalizada, de 400 amperios
> Los transformadores de corriente de medición, son del tipo ventana, para barra
pasante y clase de precisión 1, esto último, en razón de ser la clase
recomendada, cuando la medición es únicamente para control interno, según
estipulan las normas IEC 185 y VDE 0414.
> Para determinar el burden (capacidad en VA) de los transformadores de
corriente para medida, se toma en cuenta el consumo de los aparatos
conectados y el consumo de los conductores que unen dichos aparatos, con el
secundario de los transformadores de intensidad. Se considera utilizar
conductor aislado, cableado, aislado para 600 voltios, de calibre mínimo 14
AWG, para una longitud de hasta 8 metros (ida y vuelta). De acuerdo a la
ecuación No. 5.1, el cálculo del consumo a tomar en cuenta por los conductores
de conexión indicados es:
' S1 = ! 2 x 2 x L (5.1)
Ax56
-135 -
Donde;
S1= Consumo de los conductores en VA
I - Corriente que circula por los conductores en amperios
L- Longitud sencilla del conductor en una sola dirección, en metros
A = Sección del conductor en mm2
Aplicando valores para nuestro caso específico tenemos:
I = 5 amperios
L = 8 metros
A = 2,1 mm2
S1 = 2 5 x 2 x 8 =3.40 VA
2,1 x56
El valor así determinado, se toma en cuenta para la definición del burden de los
transformadores de intensidad y en caso de variación de sus longitudes y calibres
de conductor, se aplicará la mencionada fórmula.
> La tensión nominal en corriente continua es de 24 voltios y proviene de un
banco de baterías, conformado por dos baterías de 12 voltios, 140 amperios-
hora y alimentado por un cargador de baterías de capacidad de 20 amperios.
5.2 COMPONENTES DEL PANEL PRINCIPAL DE CONTROL Y PROTECCIONES
En el plano de diseño P6, se ilustra la disposición del equipo eléctrico que
conforma el Panel Principal de control y protección de ia minicentral La Florida, así
como su respectiva nomenclatura.
-136-
Básicamente, el aparellaje eléctrico de este panel, consta de los siguientes grupos
de equipos, tomando en cuenta la misión que realizan:
• Aparatos de medida y control.
• Relés de protección y auxiliares.
• Aparatos de mando, maniobra y protección.
• Aparatos de señalización y accesorios de conexión
5.2.1 FUNCIÓN Y UBICACIÓN DE LOS APARATOS DE MEDIDA Y CONTROL
Los aparatos de medida son; medidores indicadores de corriente, voltaje,
frecuencia, potencia activa y un contador de horas para el sistema de corriente
alterna del generador de la central. Adícionalmente existe un voltímetro y un
amperímetro de corriente continua, que registran la información del sistema de
energía de esas características.
Los aparatos de medida para el sistema de corriente alterna, están ubicados en la
cara frontal superior, del Panel Principal de Control, con el objeto de que todos los
parámetros de medición que se registren en ellos, sean perfectamente visibles en
todo instante para el operador.
En una primera fila se ha ubicado (de izquierda a derecha):
• Un amperímetro (A4) que mide la corriente de línea total que entrega el
generador
• Un medidor de potencia activa (KW) que señala la potencia total que produce el
generador, a través de un accesorio vatimétrico
-137 -
• Un voltímetro (V) que mostrará el nivel de voltaje entregado por el generador
entre sus fases
• Finalmente en esta fila, se ubica otro amperímetro (A5), que sirve para indicar la
corriente de la carga externa por fase, que consumen los usuarios que se
alimentan de la central.
En la segunda fila de esta zona se ubican:
• El conmutador de fases (CA1) del amperímetro A4, para el control de las
corrientes de línea.
• Un frecuencímetro (F) para señalar y controlar la velocidad de la central
• Un conmutador de fases (CV) del voltímetro del generador.
• Un contador de horas (H) para registrar el tiempo de funcionamiento de la
central, para efectos de prever los trabajos de mantenimiento y reparación.
• Un conmutador (CA2) del amperímetro A5, para el monitoreo de las corrientes
de línea.
En la zona inferior de la cara frontal se ubican:
• Un amperímetro (A6) de corriente continua, que nos muestra el consumo de
todo el sistema eléctrico de la central, que se alimenta del sistema de corriente
continua compuesto por un banco de baterías y un cargador (Ver además plano
No. P3)
-138-
• Un voltímetro (V1) de corriente continua, ubicado bajo el conjunto de alarmas
luminosas de la central y que sirve para indicar el nivel de voltaje al que opera
el sistema de corriente continua.
• En la parte interna del tablero en cuestión, se localizan 6 transformadores de
corriente (TC1, TC2, TC3, TC7, TC8, TC9), que convierten la intensidad a
valores fáciles de medir y que alimentan desde sus bobinados secundarios, a
los diferentes aparatos de medición que utilizan corriente alterna.
Como aparatos de control, en la zona interna del tablero principal, se montan los
siguientes elementos:
• El Sistema de Control Electrónico de Velocidad de la turbina (CTRL. E. VEL),
que permite manejar y controlar ia velocidad de la turbina (Explicación ampliada
en el capítulo IV).
• Un regulador electrónico de voltaje (REG. VOLT.), que permite controlar la
salida constante de la tensión de servicio del generador. Como elemento
asociado al funcionamiento del regulador de voltaje, en la cara frontal del
tablero, se monta el potenciómetro "P1", que es una resistencia variable,
utilizada para ajustar desde el exterior, e! voltaje del generador (Ver piano P14).
Estos dos últimos aparatos, están ubicados en la zona interna medía del panel,
anotándose que para el caso del Control Electrónico de Velocidad se ha previsto
una mirilla en la puerta frontal del panel, de forma que pueda observarse desde el
exterior los mensajes que despliega el display, las luces de señalización de entrada
de las cargas resistivas conectadas en operación y de las alarmas activadas,
además de tener acceso al teclado de maniobra que permite modificar los
parámetros de funcionamiento de la central. Ver planos de diseño P18 y P19.
-139 -
El montaje y ubicación del Control Electrónico de Velocidad de la turbina, en el
panel de control principal, obedece a razones de carácter estrictamente técnicas,
especialmente porque permite a este equipo, aislarse de mejor forma del ruido
eléctrico e interferencia generada por la operación intermitente del conjunto de
tiristores, que manejan la conexión y desconexión de la carga resistiva y que están
ubicados en el panel de control de carga.
De igual forma, el regulador de voltaje del generador, que generalmente viene
montado sobre la propia carcaza del alternador, se ha cambiado su ubicación al
panel de control principal, para evitar que este aparato trabaje sometido a una
vibración permanente, que a la larga siempre termina por afectarlo.
5.2.2 FUNCIÓN Y UBICACIÓN DE LOS RELÉS DE PROTECCIÓN Y AUXILIARES
Los relés de protección y los relés auxiliares que se utilizan en el panel principal de
control, están ubicados en su totalidad en la zona interna frontal del mismo. El
detalle de estos elementos es el siguiente:
• Un accesorio vatimétrico (SSW), que sirve para alimentar las bobinas del
medidor de potencia activa y del relé de sobrecarga. Ver plano de diseño P2.
• Un relé de sobrecarga (SCA), cuya función es detectar posibles sobrecargas
que pudieran ocurrir en el generador de la central. Su operación comanda la
desconexión del disyuntor general de carga (IG) de la central.
• Un relé auxiliar (Ro), temporizado, con retardo a la desexitación, que trabaja
conjuntamente con el relé de protección de sobrecarga y permite a través de sus
contactos efectuar la desconexión del disyuntor IG.
- 1 4 0 -
• Un puente rectificador de onda completa (CR1), para alimentar con corriente
continua, la bobina de disparo mT, del disyuntor general de carga IG.
• Un relé de estado sólido para detectar las fallas a tierra (lo>), que ocurran en la
línea de alta tensión, que parte de la subestación de la minicentral.
• Un relé auxiliar (RAFT), que trabaja asociado al relé de falla a tierra y a través
de sus contactos provoca la desconexión del disyuntor general de carga de la
central (IG).
• Un relé de nivel (LIV), utilizado para el control del nivel de agua del tanque de
presión, cuya información la recibe de 4 sondas (varillas de acero) ubicadas en
dicho reservorio. La operación de este relé, por bajo nivel de agua, provoca el
paro completo de la central. Ver planos P4 y P12.
• Un relé auxiliar de corriente continua (RBL), que trabaja asociado con el relé de
control de nivel de agua del tanque de presión y que, permite a través de la
operación de sus contactos, iniciar la operación de parada la central.
• Un relé de protección térmica 1RJ, utilizado para proteger el motor de corriente
continua de la válvula de entrada de agua, contra sobrecargas. Un contacto
auxiliar, insertado en el circuito de control, permite suspender la operación de
cierre o apertura de la válvula cuando se presenta una sobrecarga y ha operado
el relé (Ver planos P4 y P11).
5.2.3 FUNCIÓN Y UBICACIÓN DE LOS APARATOS DE MANDO, MANIOBRA Y
PROTECCIÓN
Los principales elementos de mando y protección, se ubican tanto en la parte
interna del panel de control, así como también en la zona frontal del mismo (sobre
-141 -
las puertas), puesto que algunos de ellos permiten las maniobras de operación de
la central.
Los componentes ubicados en la parte interna del tablero son los siguientes:
• Un interruptor o disyuntor trifásico de carga IG, utilizado para conectar o
desconectar la energía eléctrica que produce la central con la carga externa de
los usuarios. En la cara frontal del tablero, se dispone además, de una ventana,
que permite acceder a la palanca de operación manual ON - OFF del disyuntor.
Ver planos de diseño P1 y P2.
• El contactor de corriente continua TEL, que a través de sus contactos, permite
la alimentación de corriente continua hacia los circuitos de control, protección,
señalización y del regulador electrónico de velocidad. Ver planos de diseño P3
y P4.
• Un contactor auxiliar de corriente alterna (RIG), que trabaja asociado al
funcionamiento del disyuntor o interruptor de carga IG y que permite, a través de
sus contactos, comandar el encendido o apagado de las lámparas de
señalización L3 (señal de IG abierto) y L4 (señal de IG cerrado). Ver plano P5.
• Un contactor de corriente continua 1SJ, que se encuentra insertado en el
circuito de control, de la operación de apertura-cíerre de la válvula de entrada
de agua a la turbina. Básicamente comanda a través de uno de sus contactos, la
operación de cierre de la válvula de entrada de agua, cuando ocurre una falla
en la central, cuya lógica ordena la parada de la misma. Ver planos P4 y P11.
• Un contactor de corriente continua ZC, que trabaja en el circuito de fuerza y
control del sistema eléctrico de la válvula de entrada de agua. A través de sus
-142-
contactos se provoca la operación de apertura de la válvula (Ver planos P4 y
P11)
• Un contactor de corriente continua FC, que trabaja en el circuito de fuerza y
control del sistema eléctrico de la válvula de entrada de agua. A través de sus
contactos se provoca la operación de cierre de la válvula (Ver planos P4 y P11)
• Un contactor de corriente continua 1C, que trabaja en el circuito de control y
fuerza del sistema eléctrico de la válvula de entrada de agua. Sus contactos
principales conectan y desconectan la alimentación del inducido del motor y a
través de un contacto auxiliar maneja el encendido de la señal luminosa l_6,
durante la operación de apertura o cierre de la válvula . Ver planos P5 y P11.
• Un puente de conexión LP1, utilizado para evitar mediante su desconexión, la
operación de cierre de la válvula de entrada de agua, que por razones
operativas se requiere impedir. Ver planos P4 y P11.
• Fusibles varios de protección, de los circuitos de control y fuerza en corriente
alterna y continua de la central.
En la cara frontal (puerta) del tablero, se localizan los siguientes elementos;
• Siete interruptores termomagnéticos, que alimentan y protegen los circuitos y
equipos auxuiliares de corriente alterna (11,12,13,14,15) y de los circuitos
principales de corriente continua de la central (I6.I7).
Los circuitos de corriente alterna a los que se refiere son respectivamente: La
alimentación general de corriente alterna (11), del cargador de baterías (13), del
sistema de instalaciones interiores de casa de máquinas (14) y de ios
-143-
ventiladores del tablero de control de carga que extraen el aire caliente del
sistema de rectificadores SCR (15). Ver planos de diseño P1 y P2.
Los circuitos de corriente continua son: La alimentación general del sistema de
corriente continua (16) y el circuito de fuerza de la válvula de entrada de agua
(17). Ver plano P3.
El pulsador SA, incluido en el circuito de control de operación de la válvula de
entrada de agua, que permite suspender momentáneamente (y mientras se
tenga accionado el pulsador) el funcionamiento de la misma, durante la
operación ya sea de apertura o de cierre. Ver planos P4 y P11.
El pulsador PEM, es un pulsador con llave de seguridad, utilizado como parada
de emergencia de la central, permite iniciar el cierre de la válvula de entrada de
agua, desenergizando la bobina del contactor 1SJ. En los circuitos de control de
los planos P4 y P11 se puede observar su accionamiento.
Finalmente, encontramos el selector bipolar S1, de accionamiento manual, para
tres posiciones básicas de maniobra, insertado en el circuito de control de
operación de la válvula de entrada de agua. La posición 1 del selector permite el
arranque de la central, mediante la operación de apertura de la válvula; en la
posición 2 del selector se provoca y comanda la parada de la central, mediante
el cierre de la válvula de entrada de agua. La posición "O" se utiliza cuando la
central esta fuera de servicio o cuando luego del arranque y puesta en servicio,
se encuentra funcionando normalmente. Ver planos de diseño P4 y P11.
-144-
5.2.4 FUNCIÓN Y UBICACIÓN DE LOS APARATOS DE SEÑALIZACIÓN Y
ACCESORIOS DE CONEXIÓN.
En la cara frontal del panel de control, se encuentran montados los aparatos de
señalización de la central que básicamente consiste de:
• Doce luces de señalización agrupadas en un módulo centralizado, para indicar
los diferentes estados operativos del equipamiento electromecánico la central.
El detalle de las alarmas luminosas es el siguiente:
- Nivel normal de agua en el reservorío (L1)
- Máximo nivel de agua en el reservorio (L2)
- Interruptor general de carga abierto (L3)
- Interruptor general de carga abierto (L4)
- Señal de baja frecuencia (L5)
- Válvula de entrada de agua, funcionando en cierre o apertura (L6)
- Válvula de entrada de agua completamente abierta (L7)
- Válvula de entrada de agua completamente cerrada (L8)
- Alabes de la turbina completamente abiertos (L9)
- Alabes de la turbina completamente cerrados (L10)
- Cargador de baterías funcionando (L11)
El esquema de detalle de la operación de las alarmas luminosas, se encuentra
insertado en el plano de diseño P5.
• Diez relés auxiliares de banderas o carteles, para la señalización de las
diferentes fallas que pueden ocurrir durante el funcionamiento de la central, de
conformidad con la lógica de diseño establecida. Cada uno de estos relés,
energiza su bobina, a través de un contacto cerrado conectado en serie, que
-145-
pertenece a un relé auxiliar o al equipo de protección y control que detecta la
ocurrencia de la falla.
Cuando la bobina de cualquiera de los relés de bandera se desconecta, a
través de sus contactos, se provocan la apertura de la bobina del contactor 1SJ
y por intermedio de un contacto de este, la operación de cierre de la válvula de
entrada de agua, que posteriormente hace que desconecte el disyuntor general
de carga IG, por el bajo voltaje que detecta su bobina de disparo (mT), La
central de esta forma se para.
Cabe mencionarse, que dos relés de banderas, asociados a las fallas de
sobrecarga del generador y de falla a tierra de la línea de alta tensión,
únicamente provocan la desconexión instantánea del disyuntor general de
carga IG y la central en ese caso, continua funcionando sin la carga externa.
El detalle de los relés de bandera es el siguiente;
- Señal de falla por baja frecuencia (B.FR)
- Señal de falla por sobrevelocidad de la turbina (S.VEL)
- Señal de falla por bajo nivel de agua en el reservorio (BL)
- Señal de falla por bajo voltaje del generador (BV)
- Señal de falla por sobre voltaje del generador (SV)
- Señal de falla por cierre completo, de los alabes de la turbina (ATC)
- Señal de falla por alta temperatura de las bobinas del generador (ALT-G)
- Señal de falla de funcionamiento del cargador de baterías (CB)
- Señal de falla por cortocircuito a tierra, en la línea de alta tensión (FALL-T)
- Señal de falla por sobrecarga eléctrica del generador (SCAR)
El los planos de diseño P4 y P5, se puede observar con el detalle del caso, la forma
de actuar de estos relés de señalización. En la Figura No. 5-1, se indican la
- 1 4 6 -
disposicíón de los contactos, bobina de operación y forma de actuar de las
banderas de señalización.
POSICIÓN DE ARRANQUEBANDERA BLANCA
POSICIÓN DE FALLABANDERA ROJA
OPERACIÓN NORMALBANDERA NEGRA
CONTACTOS
PRINCIPALES
BOBINA DEL RELÉ
24V-DC
CONTACTOS DE LAS
BANDERAS DE SEÑALIZACIÓN
12
10o
15
18
13
O
14
Figura No. 5-1.- Disposición física de un relé de señalización de banderas.
Como accesorios de conexión, en zona interna de! tablero de control principal
disponemos en forma general de los siguientes elementos principales:
Borneras de conexión primarias (TB1,162,763)
Borneras de conexión secundarias
Conductores y cables para los circuitos de fuerza y control
-147 -
Barras colectoras de cobre
Regletas DIN, para soportes de horneras, contactores, relés, etc.
Canaletas plásticas para conductores de control
Aisladores de soporte para barras.
Conectores para cables de fuerza y control
Elementos de sujeción plástica
Etc.
5.3. COMPONENTES DEL PANEL DE CONTROL DE CARGA DEL REGULADOR
DE VELOCIDAD
En el plano de diseño P8, se muestra la disposición del equipo eléctrico de que
consta el denominado Panel de Control de Carga de la minicentral La Florida, así
como la respectiva nomenclatura.
En el plano P9, se anota el detalle de las conexiones internas, entre los diferentes
componentes eléctricos y electrónicos del mismo.
Los componentes del tablero de control de carga, los hemos agrupado de la
siguiente forma:
a Aparatos de medida, protección, señalización y auxiliares
a Elementos electrónicos de potencia y control
a Accesorios de conexión .
- 1 4 8 -
5.3.1 APARATOS DE MEDIDA, PROTECCIÓN, SEÑALIZACIÓN Y AUXILIARES
DEL PANEL DE CONTROL DE CARGA.
Los aparatos de medida de que dispone este tablero, son;
a 3 Amperímetros (A1, A2, A3), utilizados para la medición de la corriente por
fase, de la carga auxiliar resisitiva, que maneja el sistema electrónico de
regulación de velocidad. Estos aparatos se ubican en la parte frontal del tablero.
a 3 Transformadores de corriente (TC4,TC5,TC6), para alimentar exclusivamente
a los 3 amperímetros que miden la corriente de la carga auxiliar resistiva, del
regulador de velocidad. Estos aparatos se ubican en la zona interna inferior,
cara posterior del panel y se encuentran montados sobre barras de cobre.
Como elementos de protección y señalización, este panel dispone de:
a 3 Fusibles tipo NH (FR2, FS2, FT2) para protección de sobreintensidades, que
puedan presentarse en los circuitos eléctricos de las cargas auxiliares. Estos
fusibles se ubican en zona interna inferior, cara posterior del tablero y se
encuentran montados sobre los finales de barras de cobre.
a 30 lámparas de señalización (L12,l_13, ..............L41), ubicadas en la parte
frontal inferior del tablero, dispuestas en 3 filas y 10 columnas y que permite
visualizar la conexión de cada carga monofásica auxiliar (Entonces cada banco
trifásico de carga auxiliar, dispone del control de 3 señales luminosas)
Como aparatos auxiliares de este panel tenemos:
149-
D 3 ventiladores (W1,W2]W3), que funcionan como extractores del aire caliente,
generado al interior del tablero de control, por la operación continua del sistema
de tiristores, durante el funcionamiento de la central.
Los ventiladores se ubican físicamente, en la cara superior del tablero de control
de carga. (Ver además el plano P2)
5.3.2 ELEMENTOS ELECTRÓNICOS DE POTENCIA Y CONTROL
Los principales elementos electrónicos del Panel de Control de Carga, se
encuentran ubicados en la zona interna posterior y son los siguientes:
a 30 pares de tiristores (SC.R1-SCR1', SCR2~SCR2],............SCR30~SCR30')1 que
sirven para manejar la conexión-desconexión de la carga auxiliar resisitiva.
Cada tiristor se encuentra montado sobre un disipador de calor
Un banco trifásico de carga auxiliar, se compone de 3 cargas auxiliares
monofásicas y cada una de estas es manejada por 2 rectificadores controlados
(Tiristores) conectados en forma combinada a las tres fases del generador.
a 30 Tarjetas electrónicas de acoplamiento (S.1, S.2, ...,5.30), que manejan la
los circuitos de excitación de las compuertas de los tiristores. Cada tarjeta de
acoplamiento, maneja un par de tiristores y por ende una carga auxiliar
monofásica.
5.3.3 ACCESORIOS DE CONEXIÓN
Como accesorios de conexión, en zona interna del panel de control de carga
disponemos de los siguientes elementos;
- 1 5 0 -
a Borneras de conexión de cables de fuerza (TB4, TB5.TB6, TB7,TB8)
a Conductores y cables para los circuitos de fuerza y control
a Barras colectoras de cobre, dispuestas a lo largo de la cara posterior del tablero
a Regletas DIN, para soportes de borneras, contactores, relés, etc.
a Canaletas plásticas para conductores de control y elementos de sujeción
a Aisladores de soporte para barras.
a Conectares para cables de fuerza y control
5.4 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS TABLEROS DE CONTROL Y
PROTECCIONES
La forma física de los tableros de control de la central y la disposición de sus
componentes, se encuentran claramente definida en los planos de diseño P6 y P8.
Las dimensiones de los tableros, son las máximas posibles y podrán ser sujetas a
reducción durante la fase de construcción, en función de la disponibilidad de
instrumentos y equipos de dimensiones menores a las establecidas.
La disposición de componentes, especialmente, de medición y señalización en las
puertas frontales, también responde a un diseño preliminar que puede igualmente
ser modificado.
El Panel Principal de Control, el Tablero de Control de Carga y adicionaimente el
equipo electrónico digital mícroprocesado para regulación de velocidad y
supervisión de fallas, se ha previsto construirlos [ocalmente, con ¡o que estimamos
una apreciable reducción de costos.
-151 -
A continuación señalamos algunas características importantes de los tableros, que
se deben tomar en cuenta para la fabricación de los mismos:
a Los tableros de control, considerarán en cada caso una tensión de servicio de
220 voltios y una potencia de 100 KW.
a Los tableros de control son dos módulos independientes, que tienen cada uno
como dimensiones: alto 2 m., ancho 0.80 m, y profundidad de 0.6 m.
a Cada panel estará construido en tol laminado en frío de 2mm de espesor,
terminado con un proceso de fosfatización , base "wash primer", previo a la
aplicación de pintura de uso marino a base de caucho clorado RAL 7032
a Eí tablero de principal de control, dispone de dos puertas delanteras
abisagradas, con cerraduras de tipo industrial y empaquetaduras de caucho,
cumpliendo con las normas IEC y el grado de protección IP544.
Las tapas laterales, posterior y superior serán fácilmente desmontables y el
panel de montaje de los equipos eléctricos (zona interna frontal) dispondrá de
un doble fondo que permita regular la profundidad.
a El tablero de control de carga del regulador de velocidad, tendrá las mismas
características físicas señaladas en el punto anterior, con la diferencia de que
dispone de una puerta, en la cara delantera y en la posterior del panel y
además, las tapas laterales van provistas de louvers, que le permiten lograr una
adecuada ventilación de los elementos de electrónica de potencia.
-152-
5.5 ESPECIFICACIONES DE LOS COMPONENTES DE LOS PANELES DE
CONTROL Y PROTECCIONES
Como parte final de este capítulo, se procede a elaborar el listado de los
componentes de los tableros de control y protecciones, con el detalle de las
especificaciones técnicas de cada uno de estos.
Para el efecto, en el cuadro No. 14, se anotan las especificaciones técnicas de los
componentes del tablero principal de control y protecciones y en el cuadro No, 15
se listan los del tablero de control de carga del regulador de velocidad. Algunos
elementos, considerados de menor importancia, se han omitido de estos listados.
-153 -
CUADRO No. 14.- Especificaciones técnicas de los componentes eléctricos
del Tablero Principal de Control y Protección de la minicentral La Florida
ÍTEM
1
2
3
4
5
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7
8
9
10
11
12
DESCRIPCIÓN
Amperímetro de corriente alterna, bobina de5 A, clase 1.5, 60 Hz, escala 0-400 A, marco144 x 144 mmAmperímetro de corriente continua, paratrabajar con shunt de 60 mV, clase 1,5,escala 0-60 A, marco 72 x72 mm.Voltímetro de corriente alterna, de lecturadirecta, 220 V, 60 Hz, clase 1.5, escala 0-240V, marco 144 x 144 mmVoltímetro de corriente continua, clase 1.5,escala 0-30 V, marco 72 x 72 mm.Medidor de potencia de potencia activa ,bobina de 5 mA, que trabaja con unaccesorio vatimétrico, cíase 1.5, escala 0-100 KW, marco de 144 x 144 mmAccesorio vatimétrico, 3 x 220 V, trabaja conlas señales de 2 trafos de corriente derelación 400/5, 60 Hz, para medición decarga trifásica desequilibrdaFrecuencímetro de láminas vibrantes, de 220V, 60 Hz, clase 0.5, escala 57-63 Hz, marcode 144 x 144 mmContador horario de motor síncrono, de 220V, 60 Hz, de 7 dígitos, capacidad 99.999,99horas, marco de 96 x 96 mmConmutador de amperímetro, para 3 fases, 3transformadores de corriente, 4 posiciones,capacidad de corriente de contactos 10 A.Conmutador de voltímetro, para medida detensión entre fases, 4 posiciones y capacidadde corriente de contactos 10 A.Transformadores de corriente, tipo ventana,para barra pasante, de relación 400/5 A, 60Hz, clase 1, potencia 10 VA, tensión max.servicio 600 V, tensión de prueba 3 KV,intensidad térmica 60 In.Transformadores de corriente, tipo ventana,para barra pasante, de relación 400/5 A, 60Hz, clase 1, potencia 5 VA, tensión max.servicio 600 V, tensión de prueba 3 KV,intensidad térmica 60 In.
CANT.
2u
1u
1u
1u
1u
1u
1u
1u
2u
1u
3u
3u
SIGLA ENPLANOS
A4-A5
A6
V
V6
KW
SSW
F
H
CA1 - CA2
CV
TC1-TC2-TC3
TC7-TC8-TC9
NOTAS
Funcionasimplementecomo ungalvanómetroAlimenta lasbobinas del KWy del relé SCA
- 1 5 4 -
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13
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20
21
22
23
DESCRIPCIÓN
Equipo de control electrónico digital deregulación de velocidad de la turbina
Regulador electrónico de voltaje delgenerador sincrónico trifásico de 100 KW
Potenciómetro de ajuste externo de voltajedel regulador, 500 ohmios, 25 WRelé de sobrecarga, de bobina 5 mA, 220 V,60 Hz, 1 contacto NA y 1 NC, con escala detiempo calibrable 0- 30 seg., trimer paraselección de porcentaje de carga 0-120%
Relé auxiliar, temporizado, con retardo en ladesconexión, bobina de 120 V, 60 Hz,dispone de 3 contactos principales NA,capacidad contactos 10 A., categoría AC11Un puente rectificador de onda completa, devoltaje alterno de entrada 120 V y salida devoltaje continuo de 110 V, capacidad de 2 A.Relé de sobrecorriente, para protección decortocircuitos a tierra.
Relé auxiliar, de bobina de 120 V, 60 Hz,dispone de 3 contactos principales NA,capacidad contactos 10 A., categoría AC11Relé de control de nivel de líquidosconductores, voltaje de alimentación 220 V,60 Hz, 2 contacto NA y 2 NC, capacidadcontactos 10 A, principio de funcionamientoconductivo, sensibilidad de 2-12 Kohm,para sonda de variila de acero de 6 mm,soporte tipo BF3.Relé auxiliar de corriente continua, de bobinade 24 V, 3 contactos principales NA,capacidad contactos 5 A, para montaje enregleta DINRelé de protección térmica, tripolar, paramotor de corriente continua de 1/i HP, 24 V,15.54 A, con ajuste calibrables enporcentajes de la corriente nominal, 1contacto auxiliar NA y 1 NC y bloqueo a lareconexión.
CANT.
1u
1u
1u
1u
1u
1u
1u
2u
1u
1u
1u
SIGLA ENPLANOS
CTRL. E . VEL.
REG. VOLT.
Pl
SCA
RO
CR1
lo>
RAFT-RIG
LIV
RBL
1RJ
NOTAS
En el capítuloIV, se anotan,suscaracterísticasespecíficasEn el capituloIII, se anotaronsusespecificaciones
Trabaja en seriecon la bobinadel medidor depotencia activaKW
Suscaracterísticasse anotan en elcapítulo VI
Lascaracterísticasdel relé sontomadas delcatalogo delfabricanteLOVATO
- 1 5 5 -
ÍTEM
24
25
26
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30
31
32
33
34
35
36
DESCRIPCIÓN
Interruptor trifásico de potencia, de cajamoldeada, 400 A, 600 V, con bobina dedisparo de baja tensión de 110 V de corrientecontinua.
Contactor de corriente continua, de bobinade 24 V, 4 contactos principales NA, 2contactos auxiliares NA, corriente de 10 A,clase DO11,para montaje en regleta DIN
Contactor de corriente continua, 24 V, de 4contactos principales NA, de capacidad 30 A,2 contactos auxiliares NA y 2 NC, clase DC3Interruptor termomagnético, tripolar, 240 V,50 A, 60 HzInterruptor termomagnético, tripolar, 240 V,40 A, 60 HzInterruptor termomagnético, bipolar, 240 V,10 A, 60 HzInterruptor termomagnético, bipolar, paracorriente continua de 24 V y capacidad de 15AInterruptor termomagnético, bipolar, paracorriente continua de 24 V y capacidad de 20APulsador de botón, con contacto NC, deaccionamiento manual, para intensidadpermanente de 10 A, voltaje de operación de24 V en comente continuaPulsador de botón, con llave de seguridad,para quitar enclavamiento, con contacto NC,para intensidad permanente de 10 A y voltajede operación de 24 V en corriente continuaSelector bipolar de accionamiento manual,para 3 posiciones de maniobra, dispone de 4contactos que operan: en la posición "0" los 4contactos son NA; en la posición "1" 3contactos son NC y 1 NA; en la posición "2" 1contacto es NC y 3 NA; intensidadpermanente 10 A y voltaje de operación de24 V en corriente continuaLuces de señalización piloto de 16 mm, paravoltaje alterno de 120 V.
Luces de señalización piloto de 16 mm, paravoltaje continuo de 24 V.
CANT.
1u
3u
2u
1u
1u
3u
1u
1u
1u
1u
1u
2u
9u
SIGLA ENPLANOS
IG
TEL-1SJ
1C-ZC-FC
11
14
12 - 13 - I5
16
I7
SA
PEM
S1
L3-L4
L1,L2, L5,.,L11
NOTAS
En el capítuloVi, se anotansusespecificacionescompletas
Montadas en unmódulocentralizadoMontadas en unmódulocentralizado
- 1 5 6 -
ÍTEM
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38
39
40
DESCRIPCIÓN
Relé auxiliar de bandera de señalización,para tensión continua de 24 V, bobina de 570ohmios, 3 contactos principales NA y 3 NC,más 2 contactos auxiliares NA y 2 NC de lasbanderas, para comente continua de 10 A,con reposición manual para reconexiónFusibles del sistema de control yprotecciones de los circuitos AC y DC, depequeña capacidad, con base portafusible,tipo botellaConductores aislados para control, borneras,aisladores, barra de cobre, conectores,accesorios en general de conexión, etcConductor de cobre aislado, tipo TTU, para600 V, calibre 400 MCM, para la salida delgenerador
CANT.
10u
20 u
Global
Global
SIGLA ENPLANOS
BFR, S.VEL,BL, BV, SV,ATC, ALT-G,CB, FALL-T,SCAR
F1. ........... F20
NOTAS
-157 -
CUADRO No. 15.- Especificaciones técnicas de los componentes eléctricos y
electrónicos del Tablero Control de Carga del regulador de velocidad de la
minicentral La Florida.
ÍTEM
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
DESCRIPCIÓN
Amperímetro de corriente alterna, bobina de5 A, clase 1.5, 60 Hz, escala 0-400 A, marco144x 144 mmTransformadores de corriente, tipo ventana,para barra pasante, de relación 400/5 A, 60Hz, clase 1, potencia 5 VA, tensión max.servicio 600 V, tensión de prueba 3 KV,intensidad térmica 60 In.Luces de señalización piloto de 16 mm, paravoltaje alterno de 120 V.Fusibles tipo NH, tamaño 2, de 400 A, 500V, con base portafusibleVentilador, para extracción de aire caliente,para 120 V, 60 Hz, 20 W, capacidad de 50l/seg.Tíristores o rectificadores controlados SCR,de 40 A, 600 V, con radiador de montaje
Tarjetas electrónicas de acoplamiento, paracontrol de excitación, de compuertas detiristoresJuego de barras principales, de cobre, 3P x400 A, pintadas de acuerdo a normas lEC,longitud aprox. 1.6 m cada barraFusibles de control, conductores aisladospara control, conectores, borneras,accesorios en general de conexión, etcCable de cobre aislado, tipo sucre, para 600V, calibre 3 x 8 AWG, para la salida deltablero a la carga auxiliar
CANT.
3u
3u
2u
3u
3u
60 u
30 u
1 Jgo.
Global
Global
SIGLA ENPLANOS
A1 - A2 - A3
TC4-TC5-TC6
L12, L13, L14,L15 ,L41
FR2, FS2, FT2
W1- W2-W3
SCRT-SCR1',SCR2-SCR21,..
SCR30-SCR30'S.1, S.2,
...., S.30
NOTAS
CAPITULO VI
DISEÑO DE LA SUBESTACIÓN DE LA MINICENTRAL
6.1 FUNCIÓN Y CONCEPTOS DE LA SUBESTACIÓN
En las instalaciones de corriente alterna destinadas al suministro de energía, son
precisos los centros transformadores, cuya misión es la de elevar el voltaje de los
generadores en las centrales de producción, con el fin de efectuar el transporte de
la corriente en condiciones económicas.
Por razones de tipo técnico, la tensión de los generadores de las centrales
eléctricas es relativamente baja y el transporte de la energía eléctrica a estas
tensiones hasta los lugares de consumo, resultaría onerosa.
Para que dicho transporte sea posible, es necesario elevar la tensión de los
generadores, en una instalación adjunta a la central, que se denomina en general
"estación transformadora o subestación eléctrica".
Ordinariamente en centrales de pequeña capacidad, como es el caso de las
minicentrales hidroeléctricas, la subestación cumple no solamente con la función de
transformación de la energía, sino que de ella parten líneas o alimentadores, que
tienen el mismo nivel de tensión con que trabajan las redes de distribución, a los
cuales se conectan los transformadores de distribución o también llamadas
estaciones transformadoras secundarías, que sirven a los consumidores.
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
-159-
La figura No, 6-1, muestra el esquema típico del sistema eléctrico de una
mínicentral hidroeléctrica, que funciona como sistema aislado.
1. GENERADOR DE LA CENTRAL
2. INTERRUPTOR DE CARGA
3. S/E
4. LINEA PRIMARIA
5. RED DE DISTRIBUCIÓN
6. TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN
FIGURA No. 6-1.- Representación esquemática de un sistema eléctrico típico
de una minicentral, que funciona como sistema aislado con indicación de
diversos elementos de transformación y distribución.
Definimos entonces como "subestación", al conjunto de aparatos de transformación
y distribución instalados en un edificio o al aire libre, destinados a transformar la
tensión de una o varias centrales eléctricas, en la tensión de transporte y a
distribuir la energía eléctrica correspondiente.
- 1 6 0 -
Los equipos que conforman una subestación, se construyen para una determinada
"tensión nominal" y para una "tensión máxima de servicio".
La tensión nominal de un sistema eléctrico, es el valor de la tensión a la cual están
referidos los parámetros de funcionamiento del equipo o instalación.
La tensión máxima de servicio, es la máxima tensión que soportan los aparatos y
elementos de la instalación sin sufrir daño en su aislamiento. Generalmente esta
tensión, no excede del 10% de la tensión nominal de sistema.
De acuerdo con estas disposiciones, en el cuadro No. 14, se expresan las
tensiones nominales y las tensiones máximas de servicio normalizadas de alta
tensión, que se utilizan en los Estados Unidos de Norteamérica y que en general
son aplicadas en nuestro país.
TENSIONESNOMINALES
(KV)
13.2
22
33
44
66
115
138
TENSIONESNOMINALESDE SERVICIO(KV)
15
23
34.5
46
69
121
145
TENSIONESNOMINALES
(KV)
161
230
287
345
460
500
TENSIONESMÁXIMASDESERVICIO(KV)169
245
302
362
483
525
CUADRO No. 16.- Tensiones nominales y tensiones máximas de servicio,
normalizadas en Estado Unidos de Norteamérica (A.I.E.E.)
-161 -
6.2 PROPUESTA DE DISEÑO
La subestación eléctrica de la minicentral hidroeléctrica La Florida, se planea
construirla a la intemperie, en una zona adyacente a la casa de máquinas. El área
definida para la instalación integral de la subestación, tendrá una superficie
aproximada de 20 m2, espacio que se considera suficiente para construir las obras
civiles requeridas, guardar las distancias de seguridad y montar el equipo
electromecánico respectivo, etc.
Como obras civiles a realizarse en el área de la subestación, se contemplan
fundamentalmente lo siguiente:
> Cerramiento con malla de alambre galvanizado de su perímetro libre. Uno de los
lados del área de la subestación, la constituye una pared de casa de máquinas.
> Una puerta de malla metálica, para el acceso desde la zona externa de casa de
máquinas, que servirá para poder ingresar los equipos y materiales que se
montarán en la subestación.
> Una base de hormigón ciclópeo, para montar sobre ella el transformador
principal de la subestación.
> Canaletas para cables de fuerza y control, con sus respectivas tapas de
hormigón.
> Drenes y sumideros para desalojar las aguas lluvias, etc.
> Adicionalmente se contará con una puerta de acceso directo, desde casa de
máquinas.
-162-
En el plano P21, puede observarse de forma general la configuración de estas
obras.
Se debe anotar que, el recorrido de canaletas de cables de la subestación, es el
menor posible, a fin de evitar el costo económico que involucra mayores longitudes
de cables de fuerza aislados y especialmente evitando que técnicamente, esto
represente valores de caída de tensión apreciables.
Los equipos y componentes electromecánicos principales de que consta la
subestación se pueden resumir en los siguientes:
1. El transformador principal de la subestación, tipo trifásico, destinado a elevar la
tensión de generación de la central a la tensión adoptada para la línea de
distribución, para trabajar a la intemperie, sumergido en aceite (medio aislante)
de conexión de alta tensión y estrella con neutro en el lado de alta tensión,
frecuencia nominal de 60 Hz. , tipo convencional, autorefrigerado, etc.
2. El sistema de protección el transformador de la subestación dispone de los
siguientes elementos:
En el lado de alta tensión:
• Seccionadores fusibles (cut-out) unipolares, por fase, para protección de
sobrecorrientes,
• Protección de sobre corriente para fallas a tierra externas (I0>), que se localiza
en el neutro del transformador.
• Pararrayos autovalvulares montados en cada fase, para protección de
sobrevoltajes ocasionados especialmente por sobrecargas atmosféricas.
- 1 6 3 -
En el lado de baja tensión:
• Se cuenta con la protección termomagnética contra cortocircuitos y sobrecargas
(disparadores) que dispone el disyuntor de carga del generador (IG) de la
central.
Oíros elementos:
• La malla de tierra de la zona de la subestación de la central hidroeléctrica.
3. Una torre de salida de la línea de alta tensión, compuesta por dos partes de
hormigón en donde se montan elementos de sujeción de hierro galvanizado
(herrajes), aisladores, conductores, crucetas, luminarias, seccionadores,
pararrayos, etc. y de donde partirá el alimentador trifásico de 13200/7620
Voltios (4 hilos) que sirve como línea de distribución y alimenta las redes de
distribución de la zona a servir.
6.3 DIMENSIONAMIENTO Y CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL
TRANSFORMADOR DE LA SUBESTACIÓN
En esta parte, definimos en forma detallada las características técnicas que tendrá
el transformador de elevación de la subestación de la Minicentral Hidroeléctrica "La
Florida".
Para efectuar el pedido de un transformador al fabricante o proveedor, deberá
indicarse principalmente los datos que a continuación se expresan:
-164-
• Tipo y forma de efectuar el enfriamiento
• Frecuencia en Hz.
• Número de fases
• Potencia nominal en KVA
• Tensión primaria y secundaria en voltios
• Factor de potencia
• Clase de aclopamiento bobinados primario y secundario
• Tomas de regulación de tensión
• Borne del neutro accesible
• Naturaleza del servicio
• Tipo de instalación
• Accesorios, etc.
A partir de estas indicaciones, en la parte 6.3.3 se resumen en forma específica, las
características técnicas del transformador de la subestación en cuestión.
6.3.1 DIMENSIONAMIENTO DEL TRANSFORMADOR PRINCIPAL DE LA
SUBESTACIÓN
Dos aspectos de interés técnico deben previamente determinarse, a efectos de
establecer las características definitivas del transformador de elevación de la
central y que se refiere a especificar su capacidad nominal y a definir su
conformación, ya sea empleando un transformador trifásico o utilizando un banco
trifásico compuesto por tres transformadores monofásicos.
En cuanto se refiere a la capacidad nominal de un transformador en general, el
diseño y construcción del mismo, consideran la posibilidad real de que este durante
su funcionamiento, sea sometido a períodos de sobrecarga momentáneas, sin que
sufra deterioro de sus componentes o se acorte su vida útil.
-165-
EI porcentaje de la sobrecarga momentánea a la que puede estar sometido un
transformador, en función de su capacidad nominal, dependerá fundamentalmente
de tres aspectos:
4- Período de duración de la carga pico
4 Carga equivalente continua antes del período de la carga pico
4- Temperatura ambiente
El cuadro No. 15, explica la guía de carga que se aplica a transformadores en baño
de aceite, enfriadas por ventilación natural o agua, de fabricación General Electric.
DURACIONDÉLA
CARGAPICOENHORASy*
1
2
4
8
24
ENFRIAMIENTO: VENTILACIÓN NATURAL O AGUA
CARGA EQUIVALENTE CONTINUA EN PORCENTAJE DE LA POTENCIA NOMINALANTES DE LA CARGA PICO
50%
TEMPERATURA AMBIENTE EN °C
0
2.002.001.761.541.411.33
10
2.00
1.88
1.64
1,43
1.30
1.22
20
2.00
1.73
1.51
1.33
1.19
1.11
30
1.89
1.58
1.37
1.19
1.08
1.00
40
1.70
1.41
1.22
1.06
0.96
0.89
50
1.52
1.23
1.06
0.92
0.84
0.78
70%
TEMPERATURA AMBIENTE EN °C
0
2.00
1.95
1.72
1.52
1.40
1.33
10
2.00
1.80
1.59
4.41
1.30
1.22
20
1.95
1.65
1.46
1.29
1.19
1.11
30
1.78
1.49
1.32
1.17
1.07
1.00
40
1.60
1.32
1.16
1.04
0.95
0.89
50
1.41
1.14
0.99
0.89
0.83
0.78
90%
TEMPERATURA AMBIENTEEN°C
0
2.00
1.86
1.66
1.50
1.39
1.33
10
1.99
1.70
1.53
1.39
1.29
1.22
20
1.82
1.55
1.39
1.26
1.18
1.11
30
1.64
1.39
1.24
1.13
1.06
1.00
40 Y50
*
Con cargas iguales o superiores a la carga equivalente anterior, se acortará la
vida normal del transformador
CUADRO No. 17.- Cargas de pico diarias en "por unidad" de la capacidad
nominal, para el período de vida útil normal (Tomado de: Aplicación de
transformadores General Electric)
-166-
Bajo los criterios expuestos, se entiende que es factible que, aprovechando la
capacidad de poder sobrecargar un transformador, para el caso especifico de la
subestación de la minicentral, puede elegirse como capacidad nominal del
transformador de elevación un valor menor al de la capacidad nominal del
generador, puesto que la mayor carga que se prevé, soportará el transformador,
será la nominal del generador y que además esto ocurrirá durante el último período
anual de tiempo en que se ha proyectado estará copada la central.
La figura No. 2-2 del capítulo II, muestra los diagramas típicos de carga diaria de la
central, para el año inicial y final del período proyectado, aplicables a zonas
rurales, que grafican el ciclo normal de carga al que estará sometido el
transformador y a partir de las cuales puede estimarse su capacidad nominal y la
de sobrecarga en funcionamiento.
Si consideramos como válida la curva de carga diaria del año final, que se muestra
en la figura No. 2-2 y establecemos los parámetros de funcionamiento de la carga
del sistema eléctrico, tales como:
4- Duración del pico de carga en 2 horas
+ Carga equivalente continua (carga promedio de 12 horas anterior a la
ocurrencia del pico de carga en el rango del 50% de la capacidad nominal
4 Temperatura ambiente máximo 40°C
Observamos en el cuadro No. 17, que para las condiciones antes expresadas, el
transformador auto refrigerado que se utilice en la subestación de la minicentral,
esta en capacidad de ser sobrecargado en hasta un 22% de su potencia nominal
(factor 1.22 del mencionado cuadro). Es decir que podríamos calcular la potencia
nominal de transformador de elevación de la subestación, como sigue:
-167-
P. nominal transformador = P. nomina! generador - 125KVA - 102.4KVA
Fuente de sobrecarga 1.22
La potencia nominal de transformador, que bajo parámetros teóricos se ha definido,
sin embargo, no toma en cuenta aspectos reales de su operación y mantenimiento
que suelen ocurrir durante el funcionamiento de una central y que ameritan ser
tomados en cuenta ,a fin que el servicio que esta presta tenga mayor contabilidad.
Exponemos a continuación algunas razones que motivan una redefínicíón de la
potencia nominal teórica que hemos encontrado:
1) En este tipo de zonas rurales de vegetación alta, las fallas fase-tierrade las
líneas de distribución de alta tensión son las más comunes, por lo que el
transformador se puede ver sometido durante su funcionamiento a soportar
elevadas corrientes de cortocircuito, que provocan grandes esfuerzos
electrodinámicos y efectos térmicos internos, que deterioran principalmente su
aislamiento y acortan su vida útil.
2) El comportamiento de la curva de carga y por ende el factor de carga
esperados, para el período en que se ha estimado funcionará sobrecargado el
transformador de la subestación, por la experiencia observada en centrales de
características similares construidas en nuestro país, tienden a variar
sustancialmente, especialmente por el aparecimiento de cargas especiales que
son difíciles de prever, durante el estudio de la proyección de la demanda,
llegándose inclusive a coparse su capacidad nominal en mucho menor tiempo
del período previsto.
3) El de control de operación y el mantenimiento que para este tipo de centrales se
tiene, en realidad no siempre es el adecuado y más si se trata del transformador
de la subestación, a cuya máquina se la considera de una muy alta
168-
confiabilidad. El mantenimiento del transformador es prácticamente nulo y la
atención al mismo se lo hace cuando este se ha "dañado",
4) El establecer que necesariamente el transformador funcionará sobrecargado,
significará que deberá implementarse un mayor nivel de protección a fin de
mantener y proteger sus condiciones físicas internas, tal que le permitan realizar
confiablemente este tipo de trabajo, pero que sin embargo, significa encarecer
el costo de la instalación.
5) En nuestro país, los serios problemas de abastecimiento y de costos de la
• energía eléctrica, ha determinado que las Empresas Eléctricas opten por la
política de aprovechar todas las fuentes de energía disponibles, Ínter
conectándolas a su sistema regional.
En este caso, por su funcionamiento en paralelo, el factor de carga de la central
será prácticamente uno (1) y la capacidad teórica definida para el transformador
de la subestación sería errónea, ante la imposibilidad de poder sobrecargarlo, en
razón de que cambian sustancialmente los parámetros de la carga (Ver cuadro
No. 17)
Por las razones expuestas, concluimos que la potencia adecuada del transformador
de la minicentral La Florida, deberá tener una potencia nominal mínima, equivalente
a la potencia nominal del generador de la central de 125 KVA, con lo que se dará
una mayor fiabilidad al trabajo de la central y permitirá su operación interconectada
con otro sistema grande en caso de requerírselo, sin efectuar mayores inversiones.
- 1 6 9 -
6.3.2 SELECCIÓN DEL TIPO DE TRANSFORMADOR DE LA SUBESTACIÓN
La subestación de elevación de la central puede realizarse de dos formas:
a) Utilizando 3 transformadores monofásicos de capacidad igual al 33.3% de la
total del banco.
b) Utilizando un transformador trifásico de la capacidad total de diseño.
En algunas zonas rurales de las características en donde se instalan minicentrales
es factible la utilización de un banco de 3 transformadores monofásico, cuya
capacidad de cada transformador es igual a 1/3 de la capacidad nominal del banco;
inclusive en función de la importancia y contabilidad que se le quiera dar al
servicio, se utilizan 4 transformadores monofásicos, teniendo el cuarto
transformador como reserva.
La adopción de la alternativa a), de utilizar transformadores monofásicos, durante
muchos años atrás, fue la usualmente preferida, en razón de que comparando el
peso y dimensiones con un trifásico, estos presentaban menores dificultades de
transporte, sobre todo en zonas donde casi no existía caminos de acceso o los
existentes eran de muy malas condiciones.
Por otra parte, la utilización de transformadores monofásicos presenta como
ventajas el hecho que aumenta las posibilidades de garantía de servicio, puesto
que en el caso de falla de uno de estos, el banco puede seguir funcionando a
capacidad reducida mediante el empleo de la conexión en "delta abierto", y si se
dispone de un cuarto transformador de reserva la subestación podrá operar a su
capacidad nominal aún cuando tenga un transformador fuera de servicio o en
mantenimiento. Sin embargo esta alternativa presenta desventajas importantes con
relación a los transformadores trifásicos tales como: mayores costos de adquisición,
instalación, mantenimiento y equipo de protección.
- 1 7 0 -
En la actualidad la alternativa b) es de preferencia utilizada, en razón de que los
procesos y tecnología de fabricación de los transformadores trifásicos, han
permitido disminuir su peso y dimensiones notablemente, así como mejorar sus
sistemas de refrigeración y tener un alto grado de segundad en su funcionamiento y
de capacidad para soportar fallas eventuales internas o externas en cierta escala.
Evidentemente el transformador trifásico ofrece la ventaja de formar una
subestación más ordenada y compacta, reduce el número de bushings, válvulas y
accesorios a ser inspeccionados y mantenidos y ahorra tiempo de instalación y
costo, con respecto a un banco de transformadores monofásicos.
La gran desventaja ,del uso de un solo transformador trifásico en la subestación,
ocurre cuando se ha producido una falla que lo inutiliza o esta en período de
mantenimiento, en estos casos, sale todo el sistema fuera de funcionamiento.
El costo actual de un transformador trifásico de la capacidad nominal de 125 KVA
permite un ahorro del orden de un 20%, con respecto al costo de adquisición de 3
transformadores monofásicos, que en teoría es de 42 KVA cada uno, pero que al no
ser de fabricación estándar, deben ser reemplazados por otros que silo son, pero
de capacidad superior y que corresponde a 50 KVA.
En conclusión, estableceremos que por las razones anotadas, resulta ventajoso
tanto económica como técnicamente, que se utilice un solo transformador trifásico
en las subestaciones de las minicentrales, como es el caso en particular de la
central La Florida.
6.3.3 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL TRANSFORMADOR SELECCIONADO
Las especificaciones técnicas que tendrá el transformador de elevación de la
subestación, para la Minicentral Hidroeléctrica La Florida son las siguientes:
-171 -
4 TIPO:
4 POTENCIA NOMINAL:
4 NUMERO DE FASES:
.4 FRECUENCIA:
4 CONEXIÓN PRIMARIA:
4 CONEXIÓN SECUNDARIA:
4 DIAGRAMA VECTORIAL;
4 VOLTAJE NOMINAL PRIMARIO:
4 VOLTAJE NOMINAL SECUNDARIO:
4 CORRIENTE NOMINAL PRIMARIA:
Convencional
125KVA
3
60 HZ
Estrella con neutro accesible
Delta
YNd5
13.200/7.620V.
220V.
5.47A.
4 CORRIENTE NOMINAL SECUNDARIA: 328.04A
4 FACTOR DE POTENCIA:
4 IMPENDANCIA:
4 MEDIO AISLANTE:
4 SISTEMA DE REFRIGERACIÓN:
4 DERIVACIONES EN EL LADO
PRIMARIO (TAPS) PARA CONMUTA-
CIÓN SIN CARGA, PARA VARIAR LA
RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN EN
PASOS DE:
4 TENSIÓN DE PRUEBA A IMPULSO:
4 TIPO DE SERVICIO:
4 TIPO DE INSTALACIÓN:
4 ALTURA DEL SITIO DE MONTAJE:
4 TEMPERATURA AMBIENTE:
4 ACCESODRIOS IMPORTANTES:
0.8
Valor máximo 4%
Aceite Mineral
Auto refrigerado por cuba de chapa
ondulada
±2.5 Y ±5 %
95KV
Continuo
A la interperie
lOOOm.s.n.m.
40°C
Depósito conservador de aceite, indicador
de nivel, desecador de aire, termómetro de mercurio, válvulas de llenado y
vaciado de aceite, válvula de purga, argollas de izaje, ruedas orientables, etc.
-172-
6.4 EQUIPO DE PROTECCIÓN Y CORTE
El transformador de potencia, es uno de los equipos más confiables de un sistema
eléctrico. Esta confiabilidad, sin embargo, depende de un diseño adecuado, de un
cuidadoso montaje, de un mantenimiento oportuno y de la provisión de ciertos
equipos de protección.
Contrariamente a lo que ocurre con los generadores, los transformadores en aceite
plantea un problema de protección mucho más delimitado a causa de su
funcionamiento puramente estático, pues estos se ven sometido a pocos tipos
diferentes de cortocircuitos y condiciones anormales.
Un transformador puede quedar sometido a las siguientes falla o condiciones
anormales:
• Fallas internas
• Sobre calentamiento
• Cortocircuitos externos
• Sobretensiones de origen atmosférico
Los métodos que son empleados en cada caso varían según la importancia,
capacidad, costo, etc. del transformador y las condiciones de su operación, sea que
este aislado de otros o en paralelo; que sea de estación o de poste; que opere con
un generador o línea, etc.
Para el caso de nuestra central y en función de su capacidad, importancia y tipo de
instalación, el sistema de protección y corte del transformador de la subestación
considerará protecciones sencillas que permitan un adecuado grado de protección
durante su funcionamiento.
- 1 7 3 -
6.4.1 EQUIPOS DE PROTECCIÓN Y CORTE CONTRA FALLAS INTERNA Y
SOBRECALENTAMIENTO DE TRANSFORMADORES
Las fallas internas a la zona de protección del transformador, pueden ser fallas en
los terminales mismo o falla en los bobinados. En ambos casos se requiere la más
pronta desconexión, pues los esfuerzos resultantes son destructivos y existe
además el peligro de incendio.
La mayoría de las fallas internas que ocurren dentro de los bobinados son, ya sea
fallas a tierra, o fallas entre espiras, cuya severidad depende del diseño del
transformador y el tipo de puesta a tierra del neutro del sistema eléctrico al que
está conectado. Las fallas entre fases dentro del estanque de un transformador
trifásico, con cambiadores de derivación (taps) sin carga, como es nuestro caso,
son bastante poco probables y su principal causa para la ocurrencia de este tipo de
fallas, son arcos entre los bushings.
Existe cierto tipo de fallas internas que pueden denominarse incipientes y que no
constituyen un peligro inmediato. Sin embargo, si se dejan indetectadas pueden
convertirse en una falla mayor.
Las principales fallas que se presentan dentro de estas características, son fallas
en el núcleo, debido a desperfectos en el aislamiento entre sus láminas y también
fallas en el aceite, debido a perdidas o defectos en su circulación. En ambos casos
se producirá sobre calentamiento.
El diseño eléctrico de la Minicentral Hidroeléctrica La Florida, contempla proteger
los fallos o defectos internos y las sobrecargas del transformador de la subestación,
mediante el interruptor de carga "IG", el cual dispondrá para el efecto de
disparadores electromagnéticos ajustabíes contra cortocircuitos (n) y disparadores
- 1 7 4 -
térmicos contra sobrecargas (a) con retardo dependiente de la corriente, también
ajustables en un determinado rango.
Estos disparadores forman parte del interruptor y actúan directamente sobre el
mecanismo de apertura del mismo, ante la presencia de un corto circuito o
sobrecarga respectivamente.
Obsérvese que según el diseño efectuado (ver plano P1), el interruptor de carga
"IG" sirve además como protección del generador contra fallas externas.
Para dimensionar el disyuntor correctamente los siguientes parámetros básicos
deben ser considerados son: la tensión nominal, la corriente nominal y la capacidad
de interrupción simétrica a tensión nominal.
Los valores de tensión nominal y corriente nominal corresponden a los valores del
generador o del lado de baja tensión del transformador de la subestación, es decir
220 voltios y 328 Amperios.
La capacidad de interrupción simétrica a tensión nominal del interruptor, se calcula
estableciendo la corriente del cortocircuito trifásica a los bornes del generador
mediante la siguiente fórmula:
ICCT= IN (6.1)
Xd"
Donde :
ICCT- Corriente de corto circuito trifásico a los bornes del generador
IN = Corriente nominal del generador en amperios^ 328 Amp.
Xd" = Reactancia subtransitoria de eje directo del generador en por unidad = 0.13.
-175-
Reemplazando : ICCT = 328/0.13 = 2523 Amp.
Otro valor a calcularse es de la falla fase - tierra, pues por lo general es la
corriente más elevada, que el interruptor debe abrir. Mediante la ecuación No. 6.2,
se calcula el valor de la corriente de corto circuito línea-tierra a los bornes del
generador;
ICCN = 3 IN/ (3Zg1+3Zg2+3zgO) (6.2)
Donde:
ICCM = Corriente de cortocircuito línea-tierra a los bornes del generador.
IN = Corriente nominal del generador = 328 Amp.
Zg1 = Impedancia de secuencia positiva del generador en por unidad = 0.13
Zg2 = Impedancia de secuencia negativa del generador en por unidad = 0.134
ZgO = Impedancia de secuencia cero del generador en por unidad = 0.027
Reemplazando los valores se tiene:
ICCM =3x3287(0.13+0.134+0.027)= 3381 Amp.
Los valores de las impedancias de secuencia del generador, han sido tomadas del
catálogo de la Fábrica de Generadores ANSALDO, cuyas características técnicas
se ajustan exactamente al generador previsto para la Minicentral La Florida,
además en los cálculos se ha despreciado la impedancia de los cables de
interconexión.
En ia actualidad los interruptores de caja moldeada para baja tensión, disponen de
capacidades interruptivas muy elevadas, por lo que los valores de falla calculados
anteriormente, se encuadran fácilmente dentro de los rangos nomínales disponibles
de los diferentes fabricantes de interruptores.
-176-
El cuadro No. 18, señala algunas características importantes de interruptores de
caja moldeada del fabricante SQUARE D ANDINA, de los rangos de corriente y
características aplicables parara nuestro caso.
TIPO LAL: MARCO 400 AMPS. MAX. - 600 VAC - 250 VCC - CAPAC. INTERRUP. NORMAL
CORRIENTENOMINAL DELINTERRUPTOR
250300350400
NUMERODE
POLOS
3333
CAPACIDAD INTERRUPTIVA
240 480 600 250VAC VAC VAC VCC
42 KA 30 KA 22 KA42 KA 30 KA 22 KA42 KA 30 KA 22 KA42 KA 30 KA 22 KA
CALIBRACIÓN DEL ELEMENTOMAGNÉTICO
MINIMO MÁXIMO
1250 A 2500 A1500 A 3000 A1750 A 3500 A2000 A 4000 A
TIPO LHL: MARCO 400 AMPS. MAX. - 600 VAC - 250 VCC -ALTA CAPAC. INTERRUPTIVA
250300
350
400
3
3
3
3
65 KA 35 KA 25 KA65 KA 35 KA 25 KA65 KA 35 KA 25 KA65 KA 35 KA 25 KA
1250 A 2500 A
1500 A 3000 A
1750 A 3500 A
2000 A 4000 A
CUADRO No. 18.- Comparación de características de interruptores de caja
moldeada de baja tensión, tipos LAL y LHL del fabricante SQUARE D ANDINA.
Observando el cuadro anterior, se puede establecer que los valores de las
corrientes de falla trifásica y monofásica que se calculó para la central, se
encuentran dentro de los valores de calibración de los disparadores magnéticos
contra los circuitos, de los interruptores cuyas corrientes nominales son 350 y 400
amperios, valores éstos cercanos a la corriente nominal de nuestro sistema que es
328 amperios.
En general el rango de ajuste de calibración de los disparadores magnéticos contra
cortocircuitos en interruptores de corriente nominal de hasta 1000 amperios, se
sitúa entre 5 veces la corriente nominal (mínimo) y máximo 10 veces.
-177-
En lo que respecta al ajuste de la calibración de los disparadores contra sobre
carga, estos por lo general presentan valores entre el 80% y 100% de la corriente
nominal del interruptor. La figura No. 6-2 muestra las curvas típicas tiempo-
corriente de los relés termonagnéticos de un interruptor.
a Relés térmicos en frío
b Reíos térmicos en caliente
(a régimen)
c Relés magnéticos IM=5xlt
c Relés magnéticos IM=10xlt
e Tiempo total de interrupción
Figura No. 6-2.- Curva típica tiempo-corriente de los relés termomagnéticos
de un interruptor en caja moldeada SACE-MODUL tipo N 400.
-178
Otra característica que hay que resaltar del interruptor termomagnético a utilizar es
que dispondrá, de una bobina de mínima tensión (mT), que se utilizará para vigilar
la tensión nominal del sistema de generación y subestación y como elemento
auxiliar para el disparo del disyuntor en caso de determinados tipos de fallas.
En general las bobinas de mínima tensión disparan el interruptor cuando la tensión
aplicada baja entre el 70 y el 35% de la tensión nominal de accionamiento.
Finalmente establecemos a continuación las características técnicas principales del
interruptor termomagnético que utilizaremos en la central:
• TIPO : Termomagnético en caja moldeada
• No. DE POLOS: 3
• VOLTAJE DE TRABAJO: 220 Voltios A.C.
• CORRIENTE NOMINAL: 350 Amperios
• TENSIÓN DE AISLAMIENTO: 600 Voltios A.C.
• CAPACIDAD DEL MARCO: 400 Amperios
• DISPARADORES : Térmicos y magnéticos ajustables
• BOBINA MÍNIMA TENSIÓN: De 127 Voltios A.C.
• CAPACIDAD INTERRUPTIVA: Normal a 220 Voltios A.C.
• FRECUENCIA: 60 Hz.
• GRADO DE PROTECCIÓN DE LA CAJA: IP 20
• TIEMPO TOTAL DE INTERRUPCIÓN: 10-15 mili segundos
• CONTACTOS AUXILIARES: 2NA + 2NC
• OTROS : Botón de prueba de disparo
• OPERACIÓN DE CONEXIÓN: Manual
• TIPO DE SERVICIO: Continuo
• POSICIÓN DE MONTAJE: Vertical
• TEMPERATURA AMBIENTE: 40°C
- 1 7 9 -
6.4.2 PROTECCIÓN DEL TRANSFORMADOR CONTRA FALLAS EXTERNAS Y
SOBREVOLTAJES.
A.- PROTECCIÓN CONTRA CORTOCIRCUITOS EXTERNOS
El transformador de la subestación, como elemento de la red de distribución, debe
quedar desconectado en caso de corto circuito en la zona de barra (salida de la
línea de alta tensión) y también en caso de cortocircuito en la red.
Para unidades de pequeña potencia, como es nuestro caso, la protección contra
cortocircuitos se la realiza generalmente utilizando seccionadores fusibles, también
llamados cortacircuitos. El empleo de este tipo de aparatos como elemento de
protección de cortocircuitos y seccionamiento es muy amplio debido a su sencillez,
bajo costo y simplicidad constructiva.
Cuando la potencia se hace importante, son preferibles los disyuntores, los cuales
permiten una protección más sensible y una rápida reconexión del servicio.
El cortacircuito fusible, es un dispositivo que dotado de cierto poder de ruptura,
está destinado a cortar automáticamente el circuito eléctrico en el que se halla
intercalado, cuando la corriente que lo atraviesa excede de cierto valor; este corte
se consigue por fusión de un alambre fusible incluido en el aparato y en serie con
el circuito eléctrico, el cual se calienta cuando pasa la corriente, y se funde,
interrumpiendo el circuito, cuando esta corriente sobrepasa cierto calor.
La figura No. 6-3, muestra el dibujo de un cortocircuito o seccionador fusible
unipolar, típico, para tensiones entre 15 KV, tipo abierto de 100 A.
El elemento fusible del cortacircuito, tiene como propiedad la gran rapidez de
ruptura en caso de cortocircuitos muy violentos; la circunstancia de que la duración
- 1 8 0 -
de la ruptura es tanto más breve cuanto mayor es la corriente, permite obtener una
apreciable selectividad en el caso de sobrecargas y de cortocircuitos no
excesivamente fuertes, así como también su utilización con otros aparatos de
cortes; por ejemplo en combinación con interruptores automáticos
El elemento fusible tiene dos curvas características: la de mínimo tiempo de fusión,
o sea el tiempo entre ía iniciación de la corriente de falla y la de iniciación del arco ;
y la de máximo tiempo de despeje, que es el tiempo comprendido entre la
iniciación de la corriente de falla y la extinción total del arco.
Tipo
BILT (kv)
A
B
C
D
E
15-100
110
422.1
739.7
146.0
38-100
150
577.8
949.1
260.3
De 68 a 101
De104a131
-56
FIGURA No. 6-3.- Cortacircuito fusible, tipo abierto para 100 amperios,
unipolar y voltajes de 15 y 38 KV. (SIEMENS)
-181 -
Los cortacircuitos fusibles presentan las siguientes desventajas ;
a) Necesidad de reemplazar el fusible cada vez que ha actuado.
b) Ruptura de una sola fase, pues solo actúa el fusible afectado por el cortocircuito
quedando alimentadas las otras fases sanas, lo que puede resultar peligroso
para motores trifásicos conectados a la red, por lo que estos, deben prevenir
estos efectos mediante guardamotores con protección térmica, para evitar las
sobrecargas de la marcha en monofásico.
c) No protegen contra sobrecargas.
En la mayoría de sistemas rurales las líneas de alta tensión o aiimentadores
primarios, presentan especialmente como índice de fallas predominante, los
cortocircuitos monofásicos fase - tierra, por lo que hemos previsto en el diseño de
la minicentral La Florida, utilizar como protección de respaldo contra fallas externas
al transformador un relé de falla a tierra. Este relé es básicamente el relevo de
sobre corriente de tiempo inverso, por el cual circula una corriente equivalente a la
suma de las tres corrientes de fase.
En operación normal y sistemas equilibrados la corriente resultante es nula,
mientras que con la presencia de una falla a tierra habrá una corriente resultante,
que puede activar el relé.
Es importante señalar, que para la calibración de este relé debe tenerse en cuenta
los desequilibrios normales de corriente que suceden al operar un fusible o un
dispositivo monofásico de protección, para que el relé no actúe en este caso. (Por
ejemplo permitir un desequilibrio del 50% de la corriente máxima de carga.
-182-
A efectos de establecer las corrientes de cortocircuito que se presentaran en los
bornes del transformador (condición de máxima corriente de cortocircuito), en la
figura No. 6-4 se señalan los valores calculados de las fallas trifásicas y
monofásicas, utilizando las fórmulas No 6.1 y No. 6.2, incluyendo desde luego en
cada caso el valor de la impedancia del transformador y despreciando la de los
cables de conexión.
125 KVA
220 V
Zg1 =13%
Zg2 = 13.4%
ZgO = 2.7 %
125 KVA
220V/132;200V
ZT1=ZT2 =
A LA CARGA
FALLA
Amps. Falla trifásicaAmps. Falla monofásica
FIGURA No. 6-4.- Diagrama unifilar de la mínicentral La Florida con los datos
de impedancia de secuencias del generador, transformador y los valores de
corriente de falla trifásica y monofásica en el punto P (bornes del
transformador).
Con los datos señalados en la figura anterior, puede en forma general especificarse
las principales características del equipo de protección, para fallas externas del
transformador.
Especificaciones de los Seccionadores Fusibles:
-183-
TIPO:
TENSIÓN NOMINAL:
TENSIÓN MÁXIMA:
CORRIENTE NOMINAL:
CAPACIDAD DE INTERRUPCIÓN:
TENSIÓN DE PRUEBA DE IMPULSO (BIL):
ACCESORIOS DE SUJECIÓN:
madera
MONTAJE :
CANTIDAD :
Unipolar abierto
113.2 KV
15KV
100A
8000 A.
110 KV
Para montaje en cruceta de
Exterior
3 unidades
La capacidad del fusible a utilizar en el cortacircuito, dependerá de la corriente de
carga que esté entregando la central hidroeléctrica y de la coordinación que se
realice con los otros elementos de protección.
Especificaciones del Relé de Sobrecornente para fallas a tierra (I o >):
CONSTRUCCIÓN:
CARACTERÍSTICA TIEMPO - CORRIENTE:
CORRIENTE NOMINAL SECUNDARIA:
CONTROL:
FRECUENCIA:
VOLTAJE AUXILIAR:
CONTACTOS AUXILIARES:
CAPACIDAD CONTACTOS:
RANGO DE CALIBRACIÓN DE CORRIENTE:
CANTIDAD:
Estado sólido
Inverso y muy inverso
5A
Monofásico
60 Hz.
2AV.D.C.
2 NA
15 Amperios
0.5 a 5 Amperios
1 unidad
184-
Para complementar, el funcionamiento de la protección de falla a tierra del
transformador de la subestación, se debe especificar el tipo de transformador de
corriente que transmite la información al relé de protección para su trabajo.
Especificaciones del Transformador de Corriente (TC10):
TIPO ; Con devanado primario
RELACIÓN ; 50/5
TENSIÓN MAX. DE SERVICIO: 15 KV
CLASE: 10P(IEC)
POTENCIA NOMINAL: 15 VA
BIL: . 110KV
ACCESORIOS : Caja terminales secundarios
Base de sujeción
ALTURA SITIO MONTAJE: 1000 m.s.n.m.
TIPO DE MONTAJE: Sobre cubierta fuera de gabinete
CANTIDAD: 1
B.- PROTECCIÓN DE SOBREVOLTAJES
Se entiende por sobretensiones todas aquellas que exceden del valor de la tensión
de servicio máximo permanente admisible, capaz de poner en peligro el material o
el buen servicio de una instalación eléctrica.
Las sobretensiones pueden producir descargas que además de destruir o averiar
seriamente el materia!, también pueden ser la causa de nuevas sobretensiones.
Muchas veces los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su
magnitud sino también a la forma de onda.
Se pueden distinguir dos clases de sobre tensiones:
-185-
1) Sobretensiones de origen externo, que comprenden sobre todo las
sobretensiones de origen atmosférico, tales como rayos, tormentas, cargas
estáticas de las líneas, etc. La amplitud de la sobretensión por ser de origen
externo, no está en relación directa con la tensión de servicio de la instalación
afectada.
2) Sobretensiones de origen interno, que se producen al variar las propias
condiciones de servicio de la instalación, como por ejemplo oscilaciones de
intensidad de corriente, variaciones de carga, descargas a tierra, etc. Este tipo
de sobretensiones pueden preverse en gran parte y por lo tanto evitarse.
Para la protección de sobrevoltajes del transformador de la subestación y de la
línea de alta tensión, utilizaremos los denominados pararrayos o también
denominados descargadores de sobretensión.
Los pararrayos son aparatos de protección, destinados a descargar las
sobretensiones producidas por descargas atmosféricas, por maniobras o por otras
causas que, en otro caso se descargarían sobre aisladores o perforando el
aislamiento, ocasionando interrupciones en el sistema eléctrico y en muchos casos,
desperfectos en máquinas y equipos.
Los pararrayos deben estar permanentemente conectados a las líneas, pero han de
entrar en funcionamiento, únicamente cuando la tensión alcance un valor
conveniente y superior a la de servicio.
Los pararrayos garantizan una protección segura y tienen una larga vida útil, libre
de mantenimiento, debido a su gran capacidad de descarga y a su robusta
construcción con armadura inoxidable.
- 1 8 6 -
Los pararrayos que se usan actualmente, son los. denominados autovalvulares,
nombre asignado así, en razón de que su funcionamiento tiene su símil al de una
válvula de un sistema hidráulico de un embalse.
Para efectos de seleccionar un pararrayos, se deberá tomar en cuenta y determinar
especialmente los siguientes aspectos;
• Tipo o clase de pararrayos deseado (Clase distribución, clase subestación, etc.)
• Tensión máxima de la red en el sitio de montaje
• Forma de puesta a tierra de la red (Neutro sólidamente puesto a tierra, a través
de una resistencia o neutro aislado)
Aplicando estos tres requerimientos a nuestro caso específico determinamos que:
I. Es suficiente la utilización de pararrayos tipo distribución, en razón de la
pequeña potencia del transformador de la subestación de la minicentral.
II. Que la tensión máxima en el sitio de montaje será de hasta 13.800 voltios,
valor que corresponde a + 5% del voltaje nominal de la red de alta tensión
(13.200 voltios) y que puede obtenerse variando el tap del transformador.
III. La red de distribución considera un diseño, para que trabaje como un
sistema trifásico de 4 conductores, con el neutro sólidamente puesto a tierra
en varios puntos.
En cuanto a este último punto, las normas ASA - NEMA, dividen a las redes
trifásicas, en diferentes grupos A,B,C,D,E, dependiendo de la forma de puesta a
tierra. En nuestro caso, esta se corresponde a una red tipo A.
-187-
Para el cálculo de la tensión del pararrayos, las normas NEMA recomiendan la
utilización de la siguiente fórmula:
Tensión Pararrayos = Tensión máxima x Cifra de puesta a tierra (6.3)
Donde, la tensión máxima es 13.800 voltios y la cifra de puesta a tierra es igual a
0,75
Aplicando la fórmula se tiene:
Tensión pararrayos = 13.800 x 0,75 = 10.350 Voltios
Se escoge un pararrayos de tensión nominal 10 KV, que es el normalizado.
En resumen las especificaciones de los pararrayos a utlizarson las siguientes:
TIPO: Autovalvular
CLASE: Distribución
TENSIÓN PRIMARIA: 13.2 KV
TENSIÓN NOMINAL: 10 KV
FRECUENCIA: 60 Hz
ONDA DE CORRIENTE: 10/20 micro segundos
ALTURA SITIO MONTAJE: 1.000 m.s.n.m.
ACCESORIOS DE SUJECIÓN: Para montaje en cruceta de madera
CANTIDAD: 3
-188-
6.5 COMPONENTES ADICIONALES
Los componentes adicionales de la subestación, los podemos resumir en los
siguientes:
<* Postes y crucetas.
<- Herrajes galvanizados y conectores.
<* Aisladores.
*> Conductores desnudos y aislados.
<» Luminarias.
En el plano de diseño P20, se pueden observar los componentes antes indicados.
Los postes de hormigón y las crucetas de madera, constituyen el ensamblaje de
soporte de la torre de salida de la subestación, en donde se ubican los pararrayos,
seccionadores fusibles, aisladores, etc.
Los herrajes son elementos de sujeción de los equipos de protección, de los
elementos de soporte (crucetas), de aisladores, etc. Todos los herrajes a utilizar
son ser de hierro, de las secciones y formas normalizadas y cuya superficie
terminada tendrá un proceso de galvanizado por inmersión en caliente.
Los conectores de ranura paralela de aluminio, se utilizan para iníerconectar los
conductores desnudos de aluminio y los conectores perno partido de cobre-
aluminio, para unir conductores de material cobre y aluminio o solamente cobre.
Los aisladores que se montan en la estructura de la subestación, deberán
satisfacer los requerimientos establecidos por las normas ANSÍ. Así se usan
aisladores de suspensión ANSÍ 52-1 y aisladores tipo pin ANSÍ 55-4 en ías fases de
-189-
salida de la línea de alta tensión; el neutro de la red sale a través de un aislador
tipo rollo clase ANSÍ 53-2.
Se dispone de una luminaria de luz de mercurio, tipo cerrado, 125 W - 220 V., para
la iluminación nocturna de la zona de la subestación.
Los conductores desnudos y aislados utilizados son los siguientes;
<«• Conductor de cobre desnudo, cabledo, calibre # 1/0 AWG, para conectar la
malla de tierra de la central, con el punto neutro del lado de alta del
transformador.
<* Conductor de cobre desnudo, cabledo, calibre # 4 AWG, para conectar a tierra
los pararrayos y el neutro de la línea de alta tensión.
*> Conductor de aluminio, 7 hilos, tipo ACSR, calibre # 2 AWG, utilizado en las
fases de la línea de alta tensión, que se origina en los bornes del primario del
transformador de la subestación.
<* Para la interconexión eléctrica entre el tablero de control del generador y el lado
de baja tensión del transformador de la subestación, se utiliza conductor de
cobre aislado para 600 V., tipo TTU, para 75°C y calibre 400 MCM. Este
conductor está en capacidad de conducir hasta 335 amperios (capacidad de
conducción en bandeja a temperatura ambiente de 30°C) que es un valor
cercano a la corriente nominal del generador de 328 amperios.
CAPITULO Vil
INSTRUCTIVO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CENTRAL Y CRONOGRAMA
VALORADO DE ACTIVIDADES PARA EL MONTAJE
En este capítulo, se detalla de manera específica el funcionamiento de la
Mlnicentral Hidroeléctrica La Florida, que se basa en el diseño del sistema eléctrico
que se ha ejecutado, así como también en el conocimiento que necesariamente
debe tenerse del equipo mecánico e instalaciones de obras civiles que tiene la
central, pues todas estas partes funcionan asociadas entre si.
Por estas razones, el personal que se encargará de la operación de la central debe
ser capacitado en forma integral, de manera que su conocimiento general de la
misma, abarque todos los aspectos relacionados a! funcionamiento y control del
equipo electromecánico, instalaciones y obras civiles existentes.
Especial atención se debe dar al conocimiento del funcionamiento del sistema
eléctrico de ia central, en razón de ser la parte más extensa y que probablemente
presenta mayores dificultades en el aprendizaje, pero que efectivamente es
determinante para lograr un adecuado control del funcionamiento, puesto que a
través del sistema eléctrico se monitorea y controla permanentemente los
parámetros de operación y funcionamiento.
En la segunda parte del capítulo, se presenta un plan de trabajo, que permita
establecer la forma concreta, de cómo se ha planeado llevar a la práctica el diseño
eléctrico de la mínicentral en estudio. Para el efecto mediante diagrama de barras
Gantt, se presenta un cronograma de actividades, con los costos que demanda la
adquisición, fabricación y montaje del sistema electromecánico. Para las actividades
de montaje, sus valores se determinan a través de ia presentación de los
respectivos precios unitarios.
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
-191 -
7.1 OPERACIÓN DE PUESTA EN MARCHA DE LA CENTRAL
7.1.1 ACTIVIDADES PRELIMINARES
Antes de poner en marcha la central, el operador de turno debe asegurarse que se
hayan cumplido los siguientes aspectos:
*> Las rejillas existentes en los diferentes sitios de las obras civiles, deben estar
limpias.
<* Verificar que las compuertas se encuentren en su posición de trabajo: abiertas,
semiabiertas o cerradas completamente, según sea el caso.
*> Que exista un flujo normal de ingreso de agua a las obras civiles de bocatoma,
canal de conducción y tanque de presión de la central.
<* Efectuar la apertura de la compuerta de entrada a la tubería de presión, hasta
que esta se llene completamente, en cuyo caso podrá observarse que, por el
vertedero de excesos del tanque de presión, existe salida de flujo de agua.
*> En casa de máquinas, el operador verificará vísualmente, que no exista cuerpos
extraños junto a las partes rotativas del equipo electromecánico (turbina,
generador, bandas de transmisión, válvula de entrada, etc) así como también en
los equipos que funcionan estáticamente (transformador de la subestación,
tableros de control, disipadores, banco de baterías , etc)
7.1.2 PROCEDIMIENTO DE PUESTA EN MARCHA
1. Abrir mecánicamente los alabes directrices de la turbina y situarlos en la posición
de máxima apertura, con el objeto de entregar el 100% de potencia de la central.
Si por razones de consumo, se conoce que es suficiente generar %, 1/z o % de la
- 1 9 2 -
potencia, mecánicamente se debe regular la apertura de los alabes, a las
posiciones inferiores correspondientes.
2. En el tablero de control principal conectar los interruptores numerados del" 11 a
17" y accionar el pulsador de llave "PEM" ubicándolo en su posición de trabajo,
es decir con los contactos normalmente cerrados (Ver planos P2, P3 y P4);
también conectar los interruptores internos del cargador de baterías, señalados
como "SALIDA DC" y "ALIMENTACIÓN AC3' (Ver plano P15).
4 Los interruptores 11, 12, 13, 14 e 15, alimentan los servicios auxiliares de corriente
alterna de la central (ver planos P2 y P6)
4- Los interruptores 16 e 17 sirven para alimentar los circuitos del sistema eléctrico -
electrónico que funcionan con corriente continua (Ver plano P3)
+ Al conectar el interruptor interno "SALIDA DC" del equipo cargador de baterías,
se podrá obtener en su voltímetro, el valor del voltaje del banco de baterías, lo
que permite efectuar el chequeo y estado de las mismas, previo a efectuar el
arranque de la central.
3. Manualmente, pulsar el botón de reposición (reset) , de los relés auxiliares de
señalización por banderas de las protecciones, hasta que aparezca una bandera
de color blanco (posición de arranque). Estos relés se localizan en la parte
frontal del tablero principal de control, (Ver planos P4 y PG).
1. Ubicar el selector de control de operación apertura - cierre de la válvula de
entrada de agua "S1", localizado en la parte frontal del tablero principal de
control en la posición 1, provocando la energización del motor eléctrico de la
válvula e iniciando el proceso de apertura, que permite dar paso al flujo de agua
de la tubería de presión y con lo que empieza a girar la turbina, alcanzándose en
un breve lapso de tiempo, los valores nominales del voltaje (220 V) y la
velocidad ( 60 HZ), que son registrados en los respectivos aparatos de medida
del tablero de principal de control.
-193-
Durante el tiempo que dura la operación de apertura de la válvula, se enciende la
luz de señalización (L6), que permite al operador controlar visualmente, el desarrollo
de esta operación de principio a fin.
Se puede observar en el tablero de control de carga, que los tres amperímetros
existentes marcan el amperaje de la carga auxiliar resistiva por fase,
correspondiente en este caso, a la potencia que se encuentra generando la central.
Al alcanzarse los valores nominales de frecuencia y voltaje, se puede decir que el
proceso de arranque ha sido exitoso y que el estado de los otros equipos y señales
es el siguiente:
En el tablero principal de control y protecciones:
• Los relés auxiliares de señalización por banderas, de las protecciones,
cambiaron la bandera blanca a una bandera de color negro (Posición de trabajo).
• Se hallan encendidas las luces de señalización I_2, L3, L7, l_9, L11 que
corresponden respectivamente a : máximo nivel de agua en el reservorio,
interruptor de carga abierto (desconectado), válvula de entrada de agua abierta,
alabes abiertos, cargador de baterías funcionando (Ver plano P5)
• El amperímetro A4 (ver planos P2 y P6), indica la corriente total que entrega el
generador hacia el exterior del mismo, incluido el consumo del equipo eléctrico
propio de la central y de sus instalaciones interiores. El selector CA1 del
amperímetro A4 muestra la corriente generada de cada fase.
• La pantalla de cristal líquido del regulador de velocidad, despliega información
sobre el valor del voltaje generado, frecuencia y número de cargas trifásicas
resistivas conectadas. Sobre el mismo panel del regulador de velocidad un
sistema de leds de señalización, se encienden para indicar el correspondiente
número de bancos de carga resistiva trifásica que se encuentran conectadas
(ver planos P6, P18 y P19)
-194-
• El horómetro empieza a contar el tiempo de funcionamiento de la central.
• El voltímetro (V1) y amperímetro (A6) de corriente continua del tablero principal
de control, marcan los respectivos valores de la tensión y consumo de corriente
del sistema eléctrico que se alimenta del banco de baterías (Ver planos P3 y P6)
En el panel de control de carga resistiva del regulador de velocidad, se observará lo
siguiente:
• Los amperímetros (A1,A2,A3) marcarán la corriente de línea, que corresponde a
la potencia que están consumiendo los bancos de resistencia conectados y que
permiten el control de velocidad de la central (Ver plano P2 y P8)
• Se encienden las luces de señalización de las cargas resistivas conectadas.
Estas lámparas están montados en la parte frontal inferior del tablero y funcionan
asociados a los grupos de tiristores, lo que permite visualizar la conexión de la
carga resitiva por fase. Es decir que el encendido de 3 lámparas de una misma
columna, significa la conexión completa de un banco trifásico de resistencias
(Ver planos P8 y P9)
• Dentro de este tablero, se observará 3 ventiladores funcionando (W1, W2 y W3),
cuya función es renovar el aire caliente, generado por la operación continua de
los elementos de la electrónica de potencia (Tiristores) montados al interior del
mismo.(Ver planos P2, P8 y P9)
En lo referente al equipo auxiliar de la central, tenemos que;
a La válvula de entrada de agua ha terminado su ciclo de operación de apertura,
dando portante paso al caudal nominal de funcionamiento de la turbina.
a El tablero cargador de baterías, tiene encendido una luz de señalización
denominada "OPERACIÓN" y su voltímetro y amperímetro indicarán los valores
-195-
de voltaje y amperaje con que se encuentra funcionando y alimentando al banco
de baterías. (Ver planos P15, P6 y P17)
2. Una vez chequeados visualmente que, los equipos y señales se encuentran en
la posición y estados descritos, proceder a ubicar el selector "S1" en la posición
"O". Observar que el sistema prosigue funcionando, en las mismas condiciones
hasta aquí detalladas.
6. Observe que los seccionadores fusibles de la línea de alta tensión ubicados en
la torre de salida, se encuentren conectados (Ver plano P20) y que los valores
de voltaje de generación y frecuencia estén en los valores nominales previstos;
entonces proceda a conectar la carga externa de la central, empujando la
palanca del disyuntor de carga IG a la posición "ON"
De esta manera la carga externa que consumen los usuarios, queda alimentada por
la central, a través del transformador de elevación de la subestación, línea de alta
tensión, transformadores de distribución, redes secundarios y acometidas
respectivas.
Luego de esta operación se considera que el proceso de "puesta en marcha de la
central" ha culminado.
Una vez efectuada la maniobra la maniobra del numeral No, 6, en el tablero de
control principal se observan los siguientes cambios:
•t* Se apaga la lámpara de señalización L3 de interruptor de carga está abierto y se
ilumina la lámpara L4, que indica interruptor de carga cerrado (conectado).
<* El amperímetro A5, marca ahora, el amperaje de la carga de consumo de los
usuarios externos de la central. Por medio del selector CA2 del amperímetro A5,
se muestra la corriente de consumo de los usuarios en cada fase. El medidor de
potencia activa, igualmente, marca el consumo de los usuarios en Kilovatios (ver
planos P2 y P6 )
-196-
<* En el display del regulador de velocidad, la información referente al número de
cargas resistivas trifásicas conectadas, inscribirá un número menor al que
exhibía antes de cerrar el interruptor de carga, en razón de que el sistema de
regulación de velocidad opera de forma que, permite reducir la potencia de la
carga resistiva, en el valor exacto de la potencia externa conectada que
consumen los usuarios. De igual manera, disminuirán los leds encendidos en el
sistema de señalización (adjunto al display del regulador de velocidad), que es
una forma visual de control de la conexión-desconexión de la carga auxiliar.
En el tablero de control de la carga resistiva, se observará lo siguiente:
> Los amperímetros A1, A2, A3, señalan un valor de corriente menor al que existía
antes de conectar la carga externa a la central, e igualmente las luces de
señalización de las cargas resistivas conectadas, están encendidos en un
número menor.
7.2 INSTRUCCIONES DE CONTROL DE OPERACIÓN DE RUTINA
Al término de las actividades de puesta en marcha de la central y una vez que la
misma se encuentra funcionando normalmente, el operador deberá chequear
periódicamente y poner especial atención sobre los siguientes aspectos:
1) Que los valores del voltaje y frecuencia del sistema generador se mantengan en
los valores nominales de trabajo, 220V y 60 HZ respectivamente (voltímetro y
frecuencímetro del tablero principal de control),
En caso de ser sus valores muy diferentes, ajustados, accionando para el caso
del voltaje el potenciómetro P1, ubicado en la parte frontal del tablero principal
de control y en el caso de la frecuencia, accionando el teclado respectivo, del
regulador electrónico de velocidad (Ver planos P6, P13, P14 y P18)
- 1 9 7 -
2) Chequear que siempre se encuentre encendido la lámpara de señalización L2
que indica que el nivel de agua del tanque de presión (reservorio) está en su
máximo nivel. Si ocurre que esta lámpara se apaga y se prende la lámpara L1
(señal de nivel de agua en el tanque normal) significará que el nivel de agua
empieza a descender, seguramente a causa de taponamiento de las rejillas o
problemas de fugas en las compuertas de las obras civiles u otras causas que
están impidiendo, un regular ingreso del flujo de agua al tanque de presión.
Cuando esto suceda, el operador de turno deberá inmediatamente realizar un
rápido recorrido de las obras civiles y efectuar las correcciones del caso, a fin de
lograr normalizar el ingreso del flujo del agua.
3) Observar que el resto de elementos de medición de los tableros y equipo auxiliar
se encuentren efectivamente operando, pues puede darse el caso que, pese a
que la central funcione normalmente, por ejemplo los medidores (voltímetro,
kilo vatímetro, frecuencímetro, etc) no marquen ningún valor, o que los
ventiladores no funcionen, en razón de haberse fundido los fusibles de
protección de los mismos. En este caso, el operador procederá a chequear los
fusibles y a reponer los fallados.
4) Que no se escuche sonidos o ruidos extraños, diferentes a los que esta
habituado el operador, durante el funcionamiento normal de la central. También
deberá permanentemente observarse, que no exista fugas de agua en la turbina
o en la válvula de entrada de agua, así como temperaturas excesivas en los
cojinetes del equipo.
5) Todos los datos y pormenores del funcionamiento de la central, el operador
deberá anotar, en una hoja de control diario de operación o en el libro de vida
que para el efecto se debe disponer. Se acostumbra por lo general tomar
lecturas y anotaciones del equipo cada hora de funcionamiento. Toda esta
información permite a los técnicos, planear en forma adecuada el mantenimiento
o reparaciones del equipo, según sea el caso.
-198-
7.3 OPERACIONES DE PARADA DE LA CENTRAL
Nos referiremos a! procedimiento a seguirse para poner fuera de servicio la central,
entendiéndose que esta es provocada por el operador, durante el funcionamiento
de la misma.
Dos procedimientos a seguirse, permiten sacar fuera de funcionamiento la central y
los hemos denominado parada normal y parada emergente.
7.3.1 PARADA NORMAL
La parada normal lo provoca el operador, generalmente por razones de término de
período de funcionamiento u otras que no significan emergencia alguna .
El proceso que se sigue es como se detalla:
A. Desconectar la carga externa que esta alimentando la central, accionando la
palanca del interruptor de carga IG hasta la posición OFF ( desconectado).
Se podrá observar que el estado de funcionamiento del equipo y de sus señales
es el mismo que tenía la central hasta la instrucción No. 5 del procedimiento de
puesta en marcha.
B. Mover el selector "S1" de control de apertura - cierre de la válvula de entrada de
agua a la posición 2, con lo que se energiza el motor eléctrico de la válvula y se
inicia el ciclo de operación de cierre de la misma, produciéndose entonces una
disminución paulatina del flujo de entrada de agua a la turbina, hasta cuando
finalmente se corta completamente su ingreso. Se observará que la señal
luminosa L6, se enciende durante el tiempo que dura su operación de cierre.
A I término de esta maniobra, en el sistema eléctrico de la central se puede observar
que han ocurrido los siguientes cambios:
- 1 9 9 -
> La velocidad del conjunto turbina-generador, ha disminuido completamente.
> La totalidad de los aparatos de medición del tablero principal de control y de
control de la carga resistiva no marcan ningún valor, y que los ventiladores del
sistema de tiristores se han detenido.
> Los relés auxiliares de señalización por banderas de las protecciones de: baja
frecuencia, bajo nivel de agua, bajo voltaje del generador y falla del cargador de
baterías, muestran un cartel o bandera roja.
La bandera roja de los relés auxiliares de las protecciones, señalan que durante
el proceso de cierre de la válvula de entrada de agua han sensado la falla
respectiva.
Al bajar la velocidad de la turbina por la disminución del ingreso del flujo de
agua, se registrarán una baja de frecuencia y voltaje, que hará que opere los
respectivos relés de protección. Igualmente, al ocurrir que el voltaje de
generación se va a cero, el cargador de baterías y el equipo de control de nivel
de agua del tanque de presión, registran falla al perder la alimentación del
generador.
> En cuanto al sistema de alarmas luminosas, se puede observar que en el tablero
de control principal están encendidas las señales L8 y L9 que indican
respectivamente que la válvula de entrada esta cerrada y que los alabes de la
turbina están abiertas.
En el módulo electrónico del regulador de velocidad la tarjeta de "alarmas
actuadas" señala con un led encendido la primera protección que sensó la falla,
durante el proceso de cierre de la válvula de entrada. En este caso mostrará
encendido el led A1 (ver plano P18) que corresponde a la falla de baja
frecuencia.
-200-
C. Operar el sistema mecánico para cerrar completamente los alabes directores. AI
realizar esta operación se puede observar el siguiente cambio en la señalización
del tablero principal de control de la central:
• El relé auxiliar de señalización por banderas de la protección de "alabes
cerrados", cambia su bandera negra a una bandera roja y la lámpara de
señalización L9 se apaga y se enciende L10 para indicar que los alabes de la
turbina están cerrados. El control de encendido de estas dos lámparas, se
efectúa por medio del interruptor de fin de carrera SSA, ubicado en el
mecanismo de apertura-cierre de los alabes
No se opera ningún otro cambio al efectuar esta última maniobra.
D. Desconectar todos los interruptores de alimentación de los servicios auxiliares
de corriente al tema y de corriente continua (interruptores 11.....17) del tablero de
control principal y los interruptores del cargador a baterías.
Con esta operación, se podrá observar que se han apagado todas las
señalizaciones luminosas que estaban encendidas y además, que los relés
auxiliares de señalización de banderas, de las protecciones que aún mostraban
una bandera negra, (protecciones de sobrevelocidad, sobrevoltaje, alta
temperatura del generador) cambian su señalización a una bandera roja.
Efectivamente esto ocurre al desconectar la alimentación del sistema de
corriente continua a través del interruptor 16, localizado en el tablero principal de
control.
E. En el tablero principal de control, ubicar el selector "S1" de control de apertura -
cierre de la válvula de entrada de agua a la turbina a la posición "O", e
igualmente empujar el pulsador de llave "PEM" de forma que sus contactos
queden abiertos.
-201 -
F. Si la central va a estar fuera de servicio por un período de tiempo apreciable, es
recomendable que por seguridad, el operador proceda a cortar el flujo de agua
que ingresa a ia tubería de presión, cerrando la compuerta de ingreso
respectiva, ubicada en e! tanque de presión.
7.3.2 PARADA EMERGENTE
La parada emergente sirve para que en forma automática, se ponga fuera de
funcionamiento la central, ante la ocurrencia de algún evento o causa especial que
escapa al control del sistema de protecciones de la central y que pone en peligro
sus instalaciones, equipo o personal de operación. De forma similar que en el caso
de la parada normal, esta operación es provocada por el operador.
El procedimiento de la parada emergente es el siguiente:
(a) Empujar el pulsador de llave "PEM" con lo que se provoca que sus contactos
que estaban en su posición de trabajo normalmente cerrados, ahora se ubiquen
en la posición normalmente abiertos.
Con esta operación se registra los siguientes eventos en el equipo eléctrico:
4 Se desconecta automáticamente el interruptor de carga IG, al desenergizarse la
bobina de bajo voltaje mT, que controla su operación de disparo (desconexión).
(Ver plano P2)
+ En forma automática se energiza el motor eléctrico de la válvula de entrada de
agua a la turbina y comienza el ciclo de operación de cierre de su compuerta,
con lo que se corta el ingreso del flujo de agua y va perdiendo velocidad el
equipo hidrogenerador de la central, hasta detenerse,
4 Los cambios y señales que se observan en el sistema eléctrico de la central, son
similares a los descritos en las instrucciones A y B, del procedimiento de parada
normal .
-202-
(b) Completar la parada emergente de la central, ejecutando las instrucciones C,D y
E, del procedimiento de parada normal.
7.4 OPERACIÓN DE LA CENTRAL DURANTE LA OCURRENCIA DE UNA
FALLA
En esta parte de este capítulo se explica la forma de operación de parada de la
central, cuando durante su funcionamiento normal ocurre un fallo, el mismo que es
registrado por el sistema de protecciones.
El operador no tiene control sobre este proceso de puesta de fuera de servicio de la
central ya que la misma es ordenada automáticamente, por los respectivos relés de
protección,
Las protecciones de que dispone la central son los siguientes:
I. Sobrevelocidad
II. Baja frecuencia
III. Bajo nivel de agua
IV. Alabes de turbina cerrados
V. Sobretemperatura del generador (protección térmica mediante termistores)
VI. Falla del cargador de baterías
Vil. Bajo voltaje.
VIII. Sobre voltaje
IX. Sobrecarga eléctrica del generador
X. Falla a tierra de la línea de alta tensión
XI. Sobrecorriente para cortocircuitos externos al generador, a través de
disparadores magnéticos ajustables, del interruptor de carga (IG)
-203-
7.4.1 PROCESO DE PARADA DE LA CENTRAL, POR OPERACIÓN DE SUS
PROTECCIONES
Cuando ocurre la operación de alguna de las protecciones descritas en los
numerales del I al Vil, el proceso de parada de la central que se registra,
principalmente es el siguiente:
1) El relé auxiliar de señalización de bandera, de la protección que ha registrado el
fallo, muestra un cartel rojo (señal de operación por fallo)
2) En forma automática se energiza el motor eléctrico de la válvula de entrada de
agua a la turbina y empieza a efectuar la operación de cierre, lo que permite
cortar el flujo de ingreso de agua y detener el movimiento la central.
a El estado de las señales y equipos de la central registran similares estados que
los descritos en el literal B de la parada normal. Únicamente el cambio que se
registra es en la señal de "alarmas actuadas" del módulo electrónico del
regulador de velocidad, que encenderá el led luminoso de la protección que
efectivamente registró la falla y ordenó el cierre de la válvula de entrada de
agua.
3) Durante el proceso de cierre de la válvula de entrada de agua a la turbina, se
registrará entonces una. baja inmediata de la velocidad del conjunto turbina -
generador y por ende del voltaje de generación, lo que hace que en forma
automática la bobina de bajo voltaje (mT) del interruptor de carga (IG) de la
central, ordene su operación de desconexión.
3) Para completar esta parada forzosa de la central, el operador podrá llevar a cabo
las operaciones descritas en los literales C, D, E y F de la parada normal.
Cuando opera la "protección de sobrevoltaje" (numeral VIII), el proceso de parada
de la central es similar al descrito anteriormente, con la única diferencia de que el
diseño del sistema eléctrico contempla, la desconexión instantánea del disyuntor de
-204-
carga (IG) a la par que opera el relé auxiliar de esta protección (SV). Ver planos P2
y P4.
La razón de esta diferencia en la operación del disyuntor de carga de la central, con
respecto a las 7 primeras protecciones, se fundamenta en la naturaleza del fallo y
que incluso puede tener origen en el sistema externo que alimenta el generador.
Las protecciones descritas en los numerales IX, X, y XI, únicamente producen la
apertura del interruptor de carga IG a través de la bobina de disparo de bajo voltaje.
(Ver plano P2), sin provocar el paro de la central, ya que se trata de fallas eléctricas
de origen externo, por lo que será suficiente únicamente la operación antes
indicada,
7.4.2 RECOMENDACIONES
> Cuando la central hidroeléctrica ha salido fuera de servicio por la operación de
alguna de sus protecciones, es necesario que se analice la naturaleza del fallo
ocurrido y se proceda a identificar el problema, previo a reiniciar nuevamente su
puesta en marcha.
> La puesta en marcha de la central, sin identificar plenamente la falla que provocó
su salida de servicio, puede provocar serios daños especialmente en el
equipamiento eléctrico de la central.
> Si el operador no puede definir el problema existente, será recomendable que su
solución ,sea encargada al personal técnico competente.
-205-
7.5 CRONOGRAMA VALORADO DEL MONTAJE ELECTROMECÁNICO DE LA
CENTRAL
Con el objeto de definir una plan de trabajo, que permita llevar a la práctica, la
ejecución del diseño eléctrico de la Minicentral La Florida, establecemos a
continuación un cronograma valorado de las actividades que involucra este trabajo,
con los detalles y consideraciones realizadas para su planteamiento.
7.5.1. CONSIDERACIONES PARA LA ELABORACIÓN DEL CRONOGRAMA Y
SUS VALORES
Las siguientes consideraciones se han tomado en cuenta en la realización del
cronograma valorado de actividades;
1. El cronograma de ejecución, toma en cuenta dos aspectos:
D Las actividades de fabricación nacional, adquisiciones locales e importación
de equipos y materiales electromecánicos. Estos Ítems se señalan con las
letras de la A a la H en el cuadro No. 21.
o Las actividades propias del montaje electromecánico de la central, ítems
señalados desde el número 1 al 6 (Cuadro No. 21).
2. Los rubros de fabricación, adquisiciones ¡ocales e importación, de equipos y
materiales electromecánicos, han sido valoradas de acuerdo a nuestra
investigación en el mercado nacional a fabricantes, suministradores, empresas
de importación y de trabajos de valuación de equipo electromecánico, en
centrales de similares características, en las que he tenido la oportunidad de
participar (Pequeñas centrales de EMELNORTE). El rubro transporte se incluye
en este grupo.
206-
3. Las actividades de montaje, definen su costo en un análisis de precios unitarios,
compuesto por costos directos e indirectos.
Los costos directos contemplan los valores de:
a Materiales
D Maquinaria y herramientas
a Mano de obra y los costos indirectos
Los costos indirectos son un porcentaje de los costos directos y en este caso se
ha tomado un valor del 40%, en el que se contempla especialmente los
siguientes rubros:
a Dirección Técnica de la obra
a Gastos administrativos de oficina
a Gastos administrativos en obra
a Utlidades
a Impuestos, seguros
a Garantías
D Etc.
3. Para la elaboración de los precios unitarios, previamente, se realizó un cuadro
auxiliar de costos de mano de obra (Cuadro No. 19), para las diferentes
especialidades de trabajadores que participan en un montaje electromecánico.
Los salarios y valores son los recomendados por el Boletín la Cámara de la
Construcción de Quito vigente desde el mes de junio del 2000 y lo que señala el
Código del Trabajo.
4. El ítem No.1, se compone de 6 sub ítems y su valor total, será la suma de los
mismos, tal y como se detalla, en el cuadro No.20, que es una tabla del
presupuesto encontrado, en base a los precios unitarios calculados.
-207-
Cabe mencionar además, que únicamente en este ítem, en el cálculo de sus
precios unitarios parciales, se incluye el suministro de materiales.
5. Se ha seguido como método general, el que utiliza el paquete utilitario APU, que
proporciona la Cámara de la Construcción de Quito a sus afiliados.
7.5.2 PROCEDIMIENTO DEL TRABAJO
Se indica a continuación, el procedimiento y metodología, seguida, para la
elaboración del cronograma valorado:
1) Se investiga los costos de los materiales y equipos electromecánicos a
adquirir y los que se va a encargar su fabricación.
2) Se investiga costos de materiales, equipos y herramientas para montaje
3) Se elabora un cuadro auxiliar, con costos de mano de obra, con el tipo de
personal que se requiere para los trabajos de montaje. Ver cuadro No. 19.
4) Se elabora Precios Unitarios de montaje de cada Ítem, en el que aparte de
los costos que involucra, se estima los tiempos de duración de los trabajos.
5) Con los precios unitarios calculados se elabora una Tabla de Cantidades y
Precios, que constituye el Presupuesto de la Obra Electromecánica de la
Central. Ver cugdro fs|o. 20.
6) Con los datos anteriores, se procede a realizar un cronograma con los
tiempos y costos que involucra, la ejecución de cada Ítem de los trabajos que
contempla el montaje, adquisición y fabricación de los materiales y equipos
electromecánicos de la minicentral. Ver cuadro No. 21.
-208-
7) Finalmente, en las figuras, No. 7-1 y No. 7-2, se presentan, un cronograma
de inversiones y una curva de inversiones respectivamente, que sirven
como guía y control de los gastos a realizar.
A continuación y en el orden antes señalado, siguen los documentos en cuestión.
CO
ST
OS
DE
MA
NO
DE
OB
RA
DE
SC
RIP
CIÓ
NJO
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517,
458.
2018
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,498
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0,00
0.00
8,40
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0.00
80,0
00.0
01,
517,
458.
2020
0,00
0.00
50,0
00.0
01,
200,
000.
003,
915,
042.
161,
517,
458.
2028
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.00
66,3
49,4
56.9
65,
529,
121.
411.
553
8,58
6,72
5.55
35,7
78.0
21.
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1,55
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95,4
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460,
000.
008,
400,
000.
0080
,000
.00
1,55
7,95
8.20
200,
000.
0050
,000
.00
1,20
0,00
0.00
4,01
9,53
2.16
1,55
7,95
8.20
28,8
00,0
00.0
067
,020
,946
.96
5,58
5,07
8.91
1.55
38,
673,
627.
5536
,140
.11
1.45
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(III)
52,9
44.4
41,
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333.
2019
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0,00
0.00
8,40
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0.00
80,0
00.0
01,
588,
333.
2020
0,00
0.00
50,0
00.0
01,
200,
000.
004,
097,
899.
661,
588,
333.
2036
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,000
.00
74,7
24,5
64.4
66,
227,
047.
041.
553
9,67
0,60
4.05
40,2
94.1
81.
61
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54,9
69.4
41,
649,
083.
2019
,788
,998
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2,46
0,00
0.00
8,40
0,00
0.00
80,0
00.0
01,
649,
083.
2020
0,00
0.00
50,0
00.0
01,
200,
000.
004,
254,
634,
661,
649,
083.
2036
,000
,000
.00
75,7
31,7
99.4
66,
310,
983.
291.
553
9,80
0,95
7.05
40,8
37.3
21.
63
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1,73
6,83
3.20
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41,9
98.4
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460,
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3.20
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0050
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1,20
0,00
0.00
4,48
1,02
9.66
1,73
6,83
3.20
36,0
00,0
00.0
077
,186
,694
.46
6,43
2,22
4.54
1.55
39,
989,
244.
7141
,621
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1.66
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pó
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41,
736,
833.
2020
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,998
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2,46
0,00
0.00
8,40
0,00
0.00
80,0
00.0
01,
736,
833.
2020
0,00
0.00
50,0
00.0
01,
200,
000.
004,
481,
029.
661,
736,
833.
2036
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,000
.00
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94.4
66,
432,
224.
541.
553
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4.71
41,6
21.8
51.
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- 2 1 0 -
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PROYECTO: MINICENTRAL HIODROELECTRICA "LA FLORIDAÍTEM: 1.1RUBRO: INSTALACIÓN DE TOMACORRIENTESUNIDAD: PUNTO
A.- MATERIALESTubo conduit de 1/2" x 3 m.Conductor sólido, tipo TW, calibre # 12 AWGTomacorriente dobleUnión EMTde1/2"ConectorEMTde1/2"caja rectangular profunda
B.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTASHerramienta menor
C.-MANO DE OBRAInspector de obraElectricistaAyudante ElectricistaMaestro mayor Obra civilPeón
TOTAL COSTOS DIRECTOS (A+B+C)COSTOS INDIRECTOS (40%)PRECIO UNITARIO EN U.S.D.
UNID.umuuuu
CANT.1.50
12.001.001.001.001.00
Sub total A:
HORAS-EQUIPO
2.00
Sub total B:
CATEGORIA
VIIIIIIVI
HORAS-HOMBRE
0,101.502.000.201.00
Sub total C:
P. UNIT.1.650.191.200.200.200.30
COSTOXHORA
0.50
COSTOXHORA
1.661.611.451.631.43
SUB TOTAL2.482.281.200.200.200.30
6.66
SUB TOTAL1.00
1.00
SUB TOTAL0.172.422.900.331.43
7.24
14.895.96
20.85
-211 -
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PROYECTO: MINICENTRAL HIODROELECTRICA "LA FLORIDAÍTEM: 1.2RUBRO: ILUMINACIÓN LUMINARIAS INCANDECENTESUNIDAD: PUNTO
A.- MATERIALESTubo conduit de 1/2" x 3 m.Conductor sólido, tipo TW, calibre # 14 AWGInterruptor simpleUnión EMTde1/2"ConectorEMTde 1/2"Caja octogonalLuminaria de luz incandecenteCinta aislante de baja tensión
B.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTASHerramienta menor
C.- MANO DE OBRAInspector de obraElectricistaAyudante ElectricistaMaestro mayor Obra civilPeón
-
TOTAL COSTOS DIRECTOS (A+B+C)COSTOS INDIRECTOS (40%)PRECIO UNITARIO EN U.S.D.
UNID.umuuuuu
rollo
CANT.1.50
10.001.001.002.001.001.00
0.1Sub total A:
HORAS-EQUIPO
3.00
Sub total B:
CATECORIA
VIIIIIIVI
HORAS-HOMBRE
0.203.003.000.151.00
Sub total C:
P. UNIT.1,650.131.360.200.200.32
10.001.00
COSTOXHORA
0.50
COSTOXHORA
1.661.611.451.631.43
SUB TOTAL2.481.301.360.200.400.32
10.000.10
16.16
SUB TOTAL1.50
1.50
SUB TOTAL0.334.834.350.241.43
11.19
28.8411.5440.38
-212-
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PROYECTO: MINICENTRAL HIODROELECTRICA "LA FLORIDAÍTEM: 1.3RUBRO: ILUMINACIÓN LUMINARIAS DE MERCURIOUNIDAD: PUNTO
A.- MATERIALES
Tubo conduit de 1/2" x 3 m.Conductor sólido, tipo TW, calibre # 14 AWGInterruptor simpleUnión EMTdel/2"ConectorEMTde 1/2"Caja octógona!Luminaria de luz de Mercurio 250 W o 125 WCinta aislante de baja tensión
B.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTASHerramienta menor
C.- MANO DE OBRAInspector de obraElectricistaAyudante ElectricistaMaestro mayor Obra civilPeón
TOTAL COSTOS DIRECTOS (A+B+C)COSTOS INDIRECTOS (40%)PRECIO UNITARIO EN U.S.D.
UNID.umuuuuu
rollo
CANT.1.50
10.001.001.002.001.001.000.1
Sub total A:
HORAS-EQUIPO
4.00
Sub total B:
CATECORIA
VII!IIIVI
HORAS-HOMBRE
0.204.004,000.151,00
Sub total C:
P. UNIT.1.650.131.360.200.200.32
75,001.00
COSTOXHORA
0.50
COSTOXHORA
1.661.611.451.631.43
SUB TOTAL2.481.301.360.200.400.32
75.000.10
81.16
SUB TOTAL2.00
2.00
SUB TOTAL0.336.445.800.241.43
14.25
97.4038.96
136.36
- 2 1 3 -
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PROYECTO: MINICENTRAL HIODROELECTRICA "LA FLORIDAÍTEM: 1.4RUBRO: TABLERO DE DISTRIBUCIÓNUNIDAD: U
A.- MATERIALESTablero trifásico de 9 puntosInterruptor termomagnétíco de 15 - 40 ATaco FisherTornillos cola de pato
B.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTASHerramienta menor
C.- MANO DE OBRAInspector de obraElectricistaAyudante ElectricistaMaestro mayor Obra civilPeón
TOTAL COSTOS DIRECTOS (A+B+C)COSTOS INDIRECTOS (40%)PRECIO UNITARIO EN U.S.D.
UNID.uuuu
CANT.1.007,008.008.00
Sub total A:
HORAS-EQUIPO
4.00
Sub total B:
CATEGORIA
VIIIIIIVI
HORAS-HOMBRE
0.204.004,000.102.00
Sub total C:
P. UNIT.80.004.200.080.08
COSTOXHORA
0.50
COSTOXHORA
1.661.611.451.631.43
SUB TOTAL80.0029.40
0.640.64
110.68
SUB TOTAL2.00
2,00
SUB TOTAL0.336.445.800.162.86
15.60
128.2851.31
179.59
-214-
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PROYECTO: MINICENTRAL HIODROELECTRICA "LA FLORIDAÍTEM: 1.5RUBRO: INSTALACIÓN DE ACOMETIDAUNIDAD: U
A.- MATERIALESTubo conduit de 1" x 3 mConductor aislado, cableado, tipo TW, # 8 AWGConector EMT de 1"
B.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTASHerramienta menor
C.-MANO DE OBRAInspector de obraElectricistaAyudante Electricista
TOTAL COSTOS DIRECTOS (A+B+C)COSTOS INDIRECTOS (40%)PRECIO UNITARIO EN U.S.D.
UNID.umu
CANT.0,50
25.001.00
Sub total A:
HORAS-EQUIPO
3.00
Sub total B:
CATEGORIA
VIIIII
HORAS-HOMBRE
0.202.002.00
Sub total C:
P. UNIT.3.800.480.40
COSTOXHORA
0.50
COSTOXHORA
1.661.611.45
SUB TOTAL1.90
12.000.40
14.30
SUB TOTAL1.50
1.50
SUB TOTAL0.333.222.90
6.45
22.258.90
31.15
- 2 1 5 -
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PROYECTO: MINICENTRAL HIODROELECTRICA "LA FLORIDAÍTEM: 1.6RUBRO: MALLA DE TIERRAUNIDAD: M
A.- MATERIALESTubo conduit de 1/2" x 3 m.Conductor cobre desnudo, cableado # 1/0 AWGConector perno hendido de cobre # 1/0 AWGVarillas de copperweld 5/8" x 6T con conector
B.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTASHerramienta menor
C.-MANO DE OBRAInspector de obraElectricistaAyudante ElectricistaMaestro mayor Obra civilPeón
TOTAL COSTOS DIRECTOS (A+B+C)COSTOS INDIRECTOS (40%)PRECIO UNITARIO EN U.S.D.
UNID.umuu
CANT.0.051,000.180.08
Sub total A:
HORAS-EQUIPO
0.50
Sub total B:
CATECORIA
VIIIIIIVI
HORAS-HOMBRE
0.100.300.300.150.30
Sub total C:
P. UNIT.1.652.953.505.50
COSTOXHORA
0.50
COSTOXHORA
1.661.611.451.631.43
SUB TOTAL0.082.950.630.44
4.10
SUB TOTAL0.25
0.25
SUB TOTAL0.170.480.440.240.43
1.76
6.112.448.55
- 2 1 6 -
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PROYECTO: MINICENTRAL HIODROELECTRICA "LA FLORIDAÍTEM: 02RUBRO: MONTAJE VALAVULA DE ENTRADA DE AGUAUNIDAD: U
A.- MATERIALESGasolinaElectrodo 6011OxígenoGas propanoPintura anticorrosivaCabo Fortexde7/16"
Lija de hierro
B.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTASHerramienta menorSoldadora a gasolina de 250 A.Grupo electrógeno de 10 KWAmoladoraTecle de 5 toneladasEquipo de oxicorteTeodolitoCompresor de 120 Psi
C.~ MANO DE OBRAInspector de obraMecánicoAyudante mecánicoMaestro mayor de obras mecánicasTopógrafoPeón
TOTAL COSTOS DIRECTOS (A+B+C)COSTOS INDIRECTOS (40%)PRECIO UNITARIO EN U.S.D.
UNID.GILbs
CargaTanque
GILbs
Pig
CANT.25.00
25.000.501.000.304.004.00
Sub total A:
HORAS-EQUIPO
80.0025.0030.0015.0080,0010.0010.005.00
Sub total B:
CATE
CORIAVIIIIIIV4I
HORAS-HOMBRE
20.0080.0080.0040.0010.0020.00
Sub total C:
_.
P. UNIT.1.001.80
36.001.00
10.001.240.5
COSTOXHORA
0.502.502.500.400.250.750.501,50
COSTOXHORA
1.661.611.451.631.661.43
SUB TOTAL25.0045.0018.001.003.004.962.00
98.96
SUB TOTAL40.0062.5075.00
6.0020.00
7.505.007.50
223.50
SUB TOTAL33.20
128.80116.0065.2016.6028.60
388.40
710.86284.34995,20
- 2 1 7 -
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PROYECTO: MINICENTRAL HIODROELECTRICA "LA FLORIDAÍTEM: 03RUBRO: MONTAJE CONJUNTO TURBINA - GENERADORUNIDAD: U
A.- MATERIALESGasolinaElectrodo 6011OxigenoGas propanoCabo Fortexde7/16"'CementoSikaLainas para nivelaciónPernos de anclaje 3/4" x 1 0"
B.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTASHerramienta menorSoldadora a gasolina de 250 A.Grupo electrógeno de 10 KWAmoladoraTecle de 5 toneladasEquipo de oxicorteTeodolitoCompresor de 120 Psi
C.-MANO DE OBRAInspector de obraMecánicoAyudante mecánicoMaestro mayor de obras mecánicasTopógrafoPeón
TOTAL COSTOS DIRECTOS (A+B+C)
COSTOS INDIRECTOS (40%)PRECIO UNITARIO EN U.S.D.
UNID.GILbs
CargaTanque
LbsLbsGIGIbu
CANT.30.0015.000.501.004.00
100.001.001.00
10.00Sub total A:
HORAS-EQUIPO
80.0015.0060.0010.0080.0010.0015.0010.00
Sub total B:
CATEGORIA
VIIIIIIV4I
HORAS-HOMBRE
25.0080.0080.0040.0010.00
160.00
„
Sub total C:
P, UNIT.1.001.80
36.001,001,240.04
10.0030,002,50
COSTOXHORA
0.502.502.500.400.250.750.501.50
•
COSTOXHORA
1.661.611.451.631.661.43
SUB TOTAL30.0027.00
18.00
1.004.964.00
10.0030.0025.00
149.96
SUB TOTAL
40.0037.50
150.004.00
20.007.507.50
15.00
281.50
SUB TOTAL41.50
128.80116.0065.2016.60
228.80
596.90
1028.36411.34
1439.70
- 2 1 8 -
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PROYECTO: MINICENTRAL HIDROELÉCTRICA "LA FLORIDAÍTEM: 04RUBRO: MONTAJE Y CABLEADO DE TABLEROS DE CONTROLUNIDAD: GLB
A.- MATERIALESGasolinaElectrodo 6011CementoSikaPernos de anclaje 1/2" x 6"Tereminales de cable de controlTerminales de cable de fuerzaCinta aislante de baja tensiónCinta aislante de alta tensiónSuelda de estañoAmarras plásticasMarcador de cables
B.~ MAQUINARIA Y HERRAMIENTASHerramienta menorSoldadora a gasolina de 250 A.Grupo electrógeno de 10 KWAmoladoraTecle de 5 toneladasEquipo de oxicorteTeodolitoCompresor de 120 PsiCizalla
C,- MANO DE OBRAInspector de obraMecánicoAyudante mecánicoMaestro mayor de obras mecánicasTopógrafoPeón
TOTAL COSTOS DIRECTOS (A+B+C)COSTOS INDIRECTOS (40%)PRECIO UNITARIO EN U.S.D,
UNID.
GlLbsLbsGluuu
RolloRolloIbsuu
CANT.30.005.00
15.000.20
10.00300.00
16.005.001.001.00
250.003.00
Sub total A:
HORAS-EQUIPO
80.005.00
30.002.00
80.004.00
10.0010.005.00
Sub total B:
CATECORIA
VIIIIIIV4I
HORAS-HOMBRE
20.0080.0080.0040.0010.00
160.00Sub total C:
P. UNIT.1.001.800.04
10.001.200.117.001.006.003.600.16
13.50
COSTOXHORA
0.502.502.500.400.250.750.501.500.15
COSTOXHORA
1.661.611.451.631.661.43
SUB TOTAL30.00
9.000.602.00
12.0033.00
112.005.006,003.60
40.0040.50
293.70
SUB TOTAL40.0012.5075.00
0.8020.00
3.005.00
15.000.75
172.05
SUB TOTAL33.20
128.80116.0065.2016,60
228.80588.60
1054.35421.74
1476.09
- 2 1 9 -
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PROYECTO: MINICENTRAL HIODROELECTRICA "LA FLORIDAÍTEM: 05RUBRO: MONTAJE DE LA SUBESTACIÓNUNIDAD: GLB.
A.- MATERIALESGasolinaElectrodo 6011CementoSikaPernos de anclaje 1/2" x 6"Termínales de cable de fuerzaCinta aislante de baja tensiónCinta aislante de alta tensiónAmarras plásticas
B.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTASHerramienta menorSoldadora a gasolina de 250 A.Tecle de 5 toneladasMegger de 500 VCizalla
C.-MANO DE OBRAInspector de obraElectricistaAyudante electricistaMaestro mayor de obras eléctricasPeón
TOTAL COSTOS DIRECTOS (A+B+C)COSTOS INDIRECTOS (40%)PRECIO UNITARIO EN U.S.D.
UNID.GlLbsLbsGluu
RolloRollo
u
CANT.5.005.00
10.000.104.004.001.001.00
20.00
Sub total A:
HORAS-EQUIPO
20.005.008.001.002.00
sub total» SA-
CATECORIA
VIIIIIIVI
HORAS-HOMBRE
3.0020.0020.00
8.0040.00
Sub total C:
P. UNIT.1.001.800.04
10.001.207.001.006.000.16
COSTOXHORA
0.502.500.250.200.15
COSTOXHORA
1.661.611.451.631.43
SUB TOTAL5.009.000.401.004.80
28.001.006.003.20
58.40
SUB TOTAL10.0012.502.000.200.30
25.00
SUB TOTAL4.98
32.2029.0013.0457.20
136.42
219.8287.93
307.75
-220-
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PROYECTO: MINICENTRAL HIODROELECTRICA "LA FLORIDAÍTEM: 06RUBRO: PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTOUNIDAD: GLB
A.- MATERIALES
B.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTASHerramienta menor
C.-MANO DE OBRAInspector de obraMaestro mayor de obras eléctricasMaestro mayor de obras mecánicasPeón
TOTAL COSTOS DIRECTOS (A+B+C)COSTOS INDIRECTOS (40%)PRECIO UNITARIO EN U.S.D.
UNID. CANT.
Sub total A:
HORAS-EQUIPO
100,00
Sub total B:
CATECORIA
VIVIV
1
HORAS-HOMBRE
40.00100.00100.00100.00
Sub total C:
P. UNIT.
COSTOXHORA
0.50
COSTOXHORA
1.661.631.631.43
SUB TOTAL
0.00
SUB TOTAL50.00
50.00
SUB TOTAL66.40
163.00163.00143.00
535.40
585.40234.16819.56
-221 -
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
PROYECTO: MINICENTRAL HIODROELECTRICA "LA FLORIDAÍTEM: 07RUBRO: CAPACITACIÓN DE PERSONAL DE OPERACIÓNUNIDAD: GLB
A.- MATERIALES
B.- MAQUINARIA Y HERRAMIENTASHerramienta menor
C.-MANO DE OBRAInspector de obraMaestro mayor de obras eléctricasMaestro mayor de obras mecánicas
TOTAL COSTOS DIRECTOS (A+B+C)COSTOS INDIRECTOS (40%)PRECIO UNITARIO EN U.S.D.
UNID. CANT.
Sub total A:
HORAS-EQUÍPO
100.00
Sub total B:
CATECORIA
VIVIV
HORAS-HOMBRE
40.00100.00100.00
Sub total C:
P. UNIT.
COSTOXHORA
0.50
COSTOXHORA
1.661.631.63
SUB TOTAL
0.00
SUB TOTAL50.00
50.00
SUB TOTAL66.40
163.00163.00
392.40
442.40176.96619.36
-222-
TABLA DE CANTIDADES Y PRECIOS
ÍTEM
A
B
C
D
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F
G
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11.11.21.31,41.51.6
2
3
4
5
6
7
DESCRIPCIÓN
FABRICACION-COMPRA- TRANSPORTE
Fabricación de turbina
Fabricación de tableros de control
Fabricación de regulador de velocidad
Fabricación de regulador de voltaje
Fabricación de cargador de baterías
Importación de equipos
Compras locales
Transporte de materiales y equipos
ACTIVIDADES DE MONTAJE
Instalaciones interiores y malla de tierraInstalación de toma corrientesIluminación con luminarias ¡ncandecentesIluminación con luminarias de mercurioMontaje tablero de distribuciónInstalación de acometidaInstalación malla de tierraTOTAL DEL ÍTEM 1 $
Montaje de válvula de entrada de agua
Montaje del conjunto turbina - generador
Montaje y cableado de tableros de control
Montaje de subestación
Pruebas
Capacitación de personal de operación
UNID.
U
U
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GLB
GLB
U
PTO.PTO.PTO.
UUM
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GLB
GLB
GLB
GLB
CANT.
1
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1
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96711
140
1
1
1
1
1
1
P. UNIT.USD
22,000.00
10,000.00
6,500.00
450.00
2,200.00
13,800.00
12,500.00
600.00
20.8540.38
136.36179.5931.15
8.55
995.20
1,439.70
1,476.09
307.75
819.56
619.36
COSTO TOTAL DE LA OBRA ELECTROMECÁNICA EN U.S.D
P.TOTALUSD
22,000.00
20,000.00
6,500.00
450.00
2,200.00
13,800.00
12,500.00
1,200,00
187.65242.28954.52179.5931.15
1,197.002,792.19
995.20
1,439.70
1,476.09
307.75
819.56
619.36
87,099.85
CUADRO No. 20.- Presupuesto de la fabricación, adquisición y montaje del equelectromecánico de la Minicentral La Florida
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CAPITULO VIII
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1) Es recomendable que para realizar el estudio de la demanda eléctrica de una
minicentral, se utilicen métodos de recopilación de datos confiables, referentes al
crecimiento poblacional y al consumo de energía, tal que permitan proyectar en la
forma más real posible, el comportamiento de la curva de crecimiento de la
demanda, a lo largo del período de tiempo considerado como de vida útil de la
central.
Estos datos deberán ser evaluados con los obtenidos en el cálculo de la potencia
mecánica de la turbina, con el fin de obtener el mejor rendimiento en el
funcionamiento de la planta hidroeléctrica.
Sin embargo, como se menciona en la introducción de este trabajo, estos
parámetros no fueron evaluados en esta tesis, en razón de que se dio por entendido
que los Organismos interesados por el desarrollo de este proyecto lo han evaluado
y estudiado con anticipación, concluyendo que la potencia solicitada es la que debe
ser instalada.
2) La propuesta de diseño presentada, emplea el sistema de regulación de velocidad
de la turbina denominado "Eléctrico -Electrónico con disipación de carga", que bien
puede aplicarse en el futuro en proyectos integrales, cuya característica adicional
sea la de contemplar el aprovechamiento de la potencia que se disipa en la carga
auxiliar (mediante la instalación de hornos, calentadores de agua, etc) en períodos
de funcionamiento de bajo consumo, con lo que se optimizará el uso de la energía
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
-227-
producida por la centra! y por ende su rendimiento técnico-económico crecerá
significativamente,
3) La automatización de la operación de los alabes directores de la turbina, mediante
la utilización de la tecnología de los controladores lógicos programables (PLC) y de
electroválvulas insertadas en un circuito óleo-hidráulico, es una alternativa que
queda planteada para futuros diseños de mínicentrales.
4) Cuando una minicentral trabaja en paralelo con otra fuente de energía, la utilización
del generador asincrónico, es una opción valedera a ser contemplada, con el objeto
de optimizar los costos de la instalación.
Bajo estas condiciones de funcionamiento, el diseño de la minicentral se
fundamentará en parámetros distintos a los aplicados a una minicentral que trabaja
en un sistema aislado y que espacialmente se refieren a los siguientes aspectos:
máximo factor de carga posible, alto rendimiento mecánico de la turbina, control
permanente del nivel de agua del reservorio y un alto grado de automatización de
la operación del equipo electromecánico.
5) Conviene que el diseño eléctrico de una minicentral, posea un buen grado de
simplicidad y que su tecnología se adapte a las condiciones locales de operación y
servicio a prestar.
Por esta razón, en el diseño de la minicentral La Florida, la tecnología del equipo
eléctrico utilizado, permite ser entendida y asimilada por ei personal de operación,
que por lo regular son personas nativas del lugar con un bajo nivel de preparación,
pero con un gran poder intuitivo, lo que les permite a que en base a una buena
capacitación, entrenamiento y la adquisición de experiencias operativas en el
tiempo, enfrentar en el corto plazo trabajos de mantenimiento preventivo y en
muchos casos-resolver problemas de mayor grado de complejidad.
-228-
6) La inversión requerida para la construcción de una pequeña central, en general es
muy alta. El costo de las obras civiles y equipo hidromecánico, en relación con el
equipamiento electromecánico de una minicentral, en promedio están en una
relación aproximada del 70% al 30%, dependiendo de las dificultades físicas que
presenta ia zona para su construcción, la longitud de la conducción, la calidad de
las obras civiles y el tipo de equipo a instalar.
En proyectos de minicentrales que tienen las características socio-económicas
como las del sector La Florida, es conveniente buscar la participación comunitaria
de sus habitantes, con ei objetivo de reducir costos, mediante trabajos en mingas
que permitan ia ejecución de obras tales como: bocatoma, canal de conducción
tanque de presión, desarenador, casa de máquinas, etc. Entonces, el valor de las
obras civiles se convierte en un rubro muy manejable, que posibilitará ciertamente
su real ejecución.
7) El costo y montaje de equipo electromecánico importado para minicentrales
hidroeléctricas se maneja en valores que están entre 1000 y 1200 U.S.D. por KW
instalado. El valor promedio calculado para la minicentral La Florida es de
aproximadamente 871 U.S.D. por KW instalado, lo que significa una gran ahorro de
las inversiones a efectuar. Esta comparación justifica entonces, la determinación de
tomar como alternativa valedera, la fabricación local de la mayoría de equipos
electromecánicos.
8) Es conveniente que para el diseño eléctrico de una pequeña central hidroeléctrica,
el planificado^ conozca de forma adecuada el funcionamiento y características del
equipamiento mecánico a instalarse y los detalles propios de las obras civiles
involucradas, con lo que se logra un buen índice de confiabilidad del trabajo, no solo
de diseño, sino también de la etapa constructiva posterior.
-229-
9) Se aspira que el presente trabajo, se convierta en un referente de ayuda o
metodología de consulta, que permita su aplicación en futuros proyectos
hidroeléctricos, que se enmarquen dentro de los rangos potencias y capacidades de
instalación de las minicentrales.
10)Con la ejecución de este proyecto, la Escuela Politécnica Nacional, ha contribuido
efectivamente en la búsqueda de una alternativa de solución energética de un
sector rural- marginal del país, en clara respuesta a sus altos objetivos
institucionales y que además ha permitido a los profesionales participantes, adquirir
una mayor experiencia de trabajo y de aplicación de sus conocimientos técnicos.
11)Se considera que quién de buen uso de esta tesis, aprovechará las experiencias y
vivencias del autor, adquiridas a través de su participación durante una década de
trabajo en la instalación de pequeñas centrales hidroeléctricas, ubicadas en varias
regiones y zonas rurales del país y que en su momento fueron responsabilidad del
hoy desaparecido Instituto Ecuatoriano de Electrificación INECEL.
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Ediciones Gili S.A.; México D:F.; Quinta edición; 1981.
135 KVA13200/7620/220 V
TC10 £ - 50/5lo >
Control nivel agua
Cargador baterías
•Alumbrado y fuerza de C. Máquinas
•Ventiladores de sistema de tiria torea
Señal e a luminosas en AC
Circuito de mT
F< | | F> I I V< I I V>
NOMENCLATURAGSTPIGII...15FK3-S3-T3FK2-S2-T2F1...F6TCÍ...TC10mTSCRRA1...A3ASA4CA1-CA2VCVFKWSCAF<F>V<v>Io>CET.E.VEL,REG.VOLT.HTAL
Generador de la minicentralSeccionador fusible de la linea A.T.Transformador de elevaciónPararayoa
Interruptor general de la cargaInterruptor de servicios auxiliaresFusibles gen érale n para medición y controlFusible» upo NH de la carga auxiliar
Fusibles de circuitos de control y medidaTransformadores de corrienteBobina de disparo por bajo voltaje de IG
Rectificador controlado de la carga RCarga auxiliar reaiintivaAmperlmetroa de la carga auxiliarAmperímetros de la carga exteriorAmperlmetroa dol generadorConmutadores de amperímetrosVoltímetroConmutador del voltímetroFre cuenclmetro
Medidor de potencia activaEelÉ de sobrecargaProtección de baja frecuenciaPrateccifin de H abre velocidad i
Protección de bajo voltajeProtección de sobrevoltajeRelé de falla a tierra ¡
Control electrónico de velocidadRegulador de voltaje del generadorHorfimetro ¡TennifitoreH '
Dl*eftado por:Sr. Jorge Mexa
Ing. GermñnCastro M.
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
PROYECTO: MINICENTRAL HEDKOELECTHICA
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