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MEMORIAS DE CÁLCULO

AMPLIACIÓN ELECTRIFICACIÓN DE LAS VEREDAS BOGOTÁ Y FELICIANO EN EL

MUNICIPIO DE ARAUCA DEPARTAMENTO DE ARAUCA

CONTRATO N° 413 DE 2015

DISEÑADOR RESPONSABLE:

Profesional Responsable: Juan Manuel Parra SaavedraProfesión: Ingeniero Electricista

Matricula Profesional: SN205 – 106296

PRESENTADO A:

Ing. Frey RamírezInterventor Externo ENELAR E.S.P.

ARAUCA

2015


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CONTENIDO

1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO ............................................................... 3

2. UBICACIÓN .................................................................................................................. 3

3. DISEÑO TOPOLÓGICO ................................................................................................ 4

3.1. Diseño Eléctrico ....................................................................................................................... 5

4. PARÁMETROS DE DISEÑO ......................................................................................... 5

5. CÁLCULOS DE CARGA ............................................................................................... 6

5.1. Carga Instalada ........................................................................................................................ 6

5.2. Demanda Máxima .................................................................................................................... 6

5.1. Proyección de la Demanda ...................................................................................................... 7

5.2. Demanda Máxima Diversificada .............................................................................................. 7

6. CÁLCULOS DE LA RED ............................................................................................... 9

7. BARRAJES Y CALCULO DE PROTECCIONES .......................................................... 9

7.1. Barraje Primario ....................................................................................................................... 9

7.2. Barraje Secundario ................................................................................................................ 10

8. MALLA DE PUESTA A TIERRA ................................................................................. 10

8.1. Diseño malla de puesta a tierra ............................................................................................. 12

8.1.1. Corriente de falla ............................................................................................................ 12

8.1.2. Tiempo de despeje de falla ............................................................................................ 12

8.1.3. Resistividad del terreno .................................................................................................. 12

8.1.4. Tensiones de paso y de contacto tolerables .................................................................. 12

8.1.5. Selección del conductor de puesta a tierra .................................................................... 13

8.2. Configuración inicial de la malla ............................................................................................ 14

8.2.1. Resistencia de puesta a tierra ........................................................................................ 14

8.2.2. Corriente de falla máxima .............................................................................................. 14

8.2.3. Elevación del Potencial de la Tierra (GPR) ...................................................................... 15

8.2.4. Tensión de Paso y de Retícula finales de la Malla .......................................................... 15

9. ANÁLISIS DE RIESGOS ............................................................................................. 18


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1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO

Con el fin de aumentar la cobertura de energía eléctrica en el área rural delmunicipio de Arauca, departamento de Arauca se extiende la red existentemediante el contrato de obra N° 413 de 2015 “AMPLIACIÓNELECTRIFICACIÓN DE LAS VEREDAS BOGOTÁ Y FELICIANO”.

La ampliación consta de 18.65 km de red en media tensión, 1.86 km de reden baja tensión y 14 subestaciones tipo poste. El objetivo principal delproyecto es beneficiar a 23 nuevos usuarios.

2. UBICACIÓN

Las veredas Bogotá y Feliciano se encuentran ubicadas aproximadamentea 54 km del casco urbano de Arauca en zona rural del municipio.

Figura 1. Ubicación Veredas – Google Earth


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Se muestran los puntos levantados durante el replanteo para el trazado dela red en media y baja tensión.

Figura 2. Puntos tomados GPSmap 62sc GARMIN – Google Earth

3. DISEÑO TOPOLÓGICO

Luego de realizar el replanteo eléctrico del diseño inicial, se procede arealizar un ajuste y rediseñar la topología de las redes para así realizar ladistribución de cargas, trasformador y redes en media y baja tensión con elfin de cumplir los parámetros eléctricos, técnicos y de construcciónrequeridos.

Después de obtener el diseño de la topología de la ampliación de las redesse procede a realizar cálculos para la selección de transformadores

conductores para el sistema de electrificación rural.

El éxito del diseño se da a través de la buena selección de los centros detransformación buscando el centro de carga y los conductores de las redesen media y baja tensión para que cumplan con los limistes de regulación.


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5. CÁLCULOS DE CARGA

5.1. Carga Instalada

De acuerdo a la NTC 2050, el cálculo de la carga instalada para unidadesde vivienda se realiza en base al área de la unidad de vivienda. Para estetipo de proyecto se promedia un área de 50 m2 y se dispondrá de un circuitode 1500 VA para pequeños artefactos.

La carga para alumbrado general para unidades de vivienda correspondea 32 VA/m2 multiplicados por el área de la vivienda.

= 1500 + (32 × 50 )

= 3.1

5.2. Demanda Máxima

La demanda máxima por usuario se calcula teniendo en cuenta el aparatode mayor potencia y la carga de alumbrado general de la vivienda.

= + −

Dadas las condiciones socioeconómicas de los usuarios y la proyección deun circuito de pequeños artefactos de 1500 VA, se asume que dicho circuitosuministrara energía al aparato de mayor potencia igual a 800 VA.

El factor de diversidad se a sume a 0.5 debido a que todos los tomas yluminarias conectadas al circuito de alumbrado general no se encuentrafuncionando al mismo tiempo.

= 800 + 0.51600

La demanda máxima por usuario es igual a:

= 1600 , de acuerdo a la norma de ENELAR E.S.P. = 1760


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5.1. Proyección de la Demanda

Se realiza el cálculo de la demanda en función del tiempo para determinarel consumo de cada vivienda proyectado y determinar el transformador,con una tasa de crecimiento anual de 3% por un periodo de 15 años deacuerdo a la norma de ENELAR E.S.P.:

ñ = 1 + %

N° Transformador1-2-3-4-5-6-7-

8-9-10-13-14

Número de Usuarios 1

Demanda Máxima Diversificada [kVA] 1.76

Demanda Máxima Diversificada 15 años

[kVA]2.74

Potencia del Transformador [kVA] 5

N° Transformador 11-12

Número de Usuarios 2

Demanda Máxima Diversificada [kVA] 2.3

Demanda Máxima Diversificada 15 años

[kVA]3.58

Potencia del Transformador [kVA] 5

5.2. Demanda Máxima Diversificada

La red de baja tensión suministra energía a varios usuarios, para efectos deoptimización del diseño, es necesario diversificar la carga ya que los usuariosno estarán haciendo uso de la carga de manera coincidente.

Según la norma de ENELAR E.S.P. la demanda máxima diversificada se

calcula de la siguiente manera:

− = −


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6. CÁLCULOS DE LA RED

Se realizan cálculos para verificar que la red diseñada cumple con losparámetros de diseño; para ello se tiene en cuenta principalmente elcálculo de regulación. (Norma ENELAR E.S.P.)

% = Es la constante eléctrica del conductor (Tablas ENELAR). Es el momento eléctrico de potencia. ×

Ver Anexo 1. (Planos Eléctricos)

Planos CTO 413 de2015.pdf

Ver Anexo 2. (Cálculos de Regulación)

Calculos deRegulación_413.pdf

7. BARRAJES Y CALCULO DE PROTECCIONES

7.1. Barraje Primario

Corriente nominal en el primario del transformador de potencia.

= 5 ×10

13.2×10 = 0.38

Sobredimensionado la corriente al 125%

% = 0.475

Para el barraje primario se utiliza cable ACSR N°2 AWG. La tensión máximaen media tensión es de 15 kV por tanto se selecciona un cortacircuitosmonopolar por fase de 15 kV 100 A con Fusible de hilo tipo H de 3 A.Los descargadores de sobretensión (DPS) ó Pararrayos se seleccionan de 12kV 10 kA para garantizar la protección del sistema eléctrico.


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7.2. Barraje Secundario

El barraje secundario del transformador se calcula con la corriente nominaldimensionada al 125%.

= 5 × 10

240 = 20.83

% = 26.04

El conductor seleccionador para el barraje secundario es Cu N° 4 AWG con

aislamiento THHN. Los transformadores se protegerán con un breaker tipoindustrial. La capacidad de interrupción se calcula de la siguiente manera:

= 26.04 De tal manera que se seleccionan breaker concorriente nominal de 30 A.

8. MALLA DE PUESTA A TIERRA

Para realizar el diseño es necesario tener en cuenta aspectos claros y datosespecíficos como lo son: la resistividad del terreno, la corriente de falla y el tiempo

de despeje de falla. Seguido se establece una geometría y especificaciones inicialesde diseño y se procede a validar los cálculos de tal forma que cumpla con loscriterios de selección.

Es necesario aclarar que el diseño de puesta a tierra funciona de la mano con losDescargadores de Sobretensiones o DPS que están instalados en el lado de mediatensión de los transformadores. Estos equipos deben estar conectados sólidamentea tierra con la malla de puesta a tierra según el diseño eléctrico del proyecto.

Tabla 3. Valores Máximos re Resistencias de Puesta a Tierra – RETIE 2013.


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A continuación se presenta la Metodología para el diseño de la malla de puesta atierra según IEEE 80

Panel deControl

Información de

Campo

Largo, ancho,

Selección del

Conductor If , ts

Tensiones tolerables detoque y de pasoEtt, Ets

Diseño Inicial

D, n , L, h

l ll i

i

ll

ll

ll

ll

i l l

Cálculo de la resistencia de

la malla de tierraRg, Lc, Lr

Máxima corriente a la malla

de tierraIG

IG * Rg < Et

Cálculo de las tensiones de

malla y de pasoEm, Es

Em < EttEs < Ets

Diseño final

detallado

Diseño Modificado

D, n, L, h

Panel deControl

NO

NO

SI

SI


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Donde:

Tensión de paso Tensión de contacto = 1 Factor de corrección del terreno Resistividad de la capa superior. Tiempo de despeje de fallaDe tal manera que las tensiones de paso y contacto tolerables para el sistema sonrespectivamente:

Et [V] 858.9

Ep [V] 2943.4

8.1.5. Selección del conductor de puesta a tierra

Para las subestaciones aéreas tipo poste, la corriente máxima de falla se presentaen los bornes de baja tensión, por tanto es necesario garantizar que el conductor depuesta a tierra y de la malla soporte la máxima corriente de cortocircuito quecirculara por ella.

Este valor de corriente se calcula según la tensión de cortocircuito típica para

transformadores monofásicos según la NTC 819, obteniendo así los valores decorriente de cortocircuito para cada transformador.

= []

S [kVA] Is [A] uz Icc [kA]

5 20.83 0.03 0.6944

Tabla 4. Tensión de cortocircuito – NTC 819.


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Por tanto la capacidad de corriente máxima en cortocircuito es de 0.6944 kA; elcable utilizado para la malla y el bajante de la puesta a tierra es 4 AWG con una

capacidad de corriente de cortocircuito de 4.5 kA.

8.2. Configuración inicial de la malla

Se selecciona una configuración triangular de 4 m cada lado para la malla de puestaa tierra con 3 electrodos de 5/8” x 2.4 m en las esquinas. Con esta configuración severifica que cumpla con los criterios especificados anteriormente. La profundidaddel enterramiento es de 0.6 m.

8.2.1. Resistencia de puesta a tierra

La resistencia de la malla de puesta a tierra depende de la resistividad del terreno,la cantidad de cable de cobre, los electrodos de puesta a tierra y la resistencia mutuaentre el conductor y las varillas. Para el modelamiento de terreno de 2 capas, laresistencia de puesta a tierra se calcula con la ecuación de Schwarz (2 Capas)según la IEEE 80.

Obteniendo una resistencia de puesta a tierra igual a:

Rg [Ω] 88.429

8.2.2. Corriente de falla máxima

La corriente de falla máxima es igual a:

= Donde:

Factor de decremento, Se selecciona un valor de X/R=20 para redes dedistribución; y un tiempo de despeje de falla igual a 0.5 s según la IEEE 80,este valor es igual a 1.052.

Factor de división de corriente, igual a 1%, puesto que la falla en mediatensión tendrá contribución a mallas de puesta a tierra remotas.

Factor de crecimiento de la subestación, igual a 1. Ya que este tipo desubestación se diseña a la máxima carga instalada.

= 2 2

1 + 2 2 []


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Final mente la corriente de inyección a la malla de puesta a tierra en caso de fallaes igual a:

Ig [kA] 0.00817

8.2.3. Elevación del Potencial de la Tierra (GPR)

Es la máxima tensión que la malla de tierra puede alcanzar relativa a un punto detierra distante que se supone esta al mismo potencial remoto. Si GPR es menor quela tensión de toque, el diseño finaliza; pero como en este caso no cumple, esnecesario calcular las tensiones de paso y de retícula reales para validar el diseño.

= Por tantoGPR [V] 756.5 CUMPLE

Los valores de R1, R2 y Rm son:

R1 [Ω] 103.333692

R2 [Ω] 95.4943815

Rm [Ω] 78.262273

Debido a que GPR es menor que Et damos como concluido que el diseñode la malla cumple con los parámetros de diseño.

8.2.4. Tensión de Paso y de Retícula finales de la Malla

Las tensiones de paso y de retícula calculadas para la malla de puesta a tierra son:

Et [V] 849.9

Ep [V] 437.7

Ya que las tensiones de paso y contacto son menores que las tolerables porel cuerpo humano de un peso de 50 kg según el IEEE las condiciones de lamalla son seguras.

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9. CÁLCULO Y COORDINACIÓN DE PROTECCIONES CONTRA

SOBRECORRIENTES

9.1. Elección de los fusibles

Teniendo en cuenta, que los fusibles deben operar (fundirse) cuando sepresenta una sobrecarga aguas abajo la cual debe ser igual al resultado demultiplicar el coeficiente de fusión del fusible por la intensidad nominal delfusible, en tiempo continuo no menor a una (1) hora ó ante un cortocircuito,con una intensidad mayor o igual a la IF5 (valor de la intensidad de fusióndel fusible en 5 segundos), en un periodo de no mayor a los cinco (5)segundos posteriores de producirse el corto, se tendrá en cuanta el siguiente

criterio para su selección:

Para elegir el fusible, parto de un circuito con un conductor conocido, quetiene una Imáxadms superior a la de cálculo que pasará por él. Por ello, secumplirán las siguientes condiciones:

1ª Condición de elección de la IN del fusible:

IC (A)


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que la Imáxadms que soporta el conductor incrementada en un 45% (normaUNE 20460). Si no se cumple, habría que elevar la sección del conductor.

Para hallar el coeficiente de fusión del fusible, hay que utilizar la curva defusión del fusible, y hallar la intensidad de fusión If, en el tiempoconvencional de sobrecarga (de 1 ó 2 ó 3 horas).

Ponemos como ejemplo los coeficientes de fusión de fusibles de tipo gG deCrady:

3ª Condición de elección del poder de corte:

El fusible debe tener un poder de corte (KA) elegido del catálogo, superiora la máxima corriente de cortocircuito que pueda pasar por él, paraasegurar que funde antes de autodestruirse. Dicha intensidad decortocircuito será la del tripolar simétrico o la del cortocircuito fase-tierrasegún sea trifásica o monofásica la instalación a proteger.

4ª Condición de protección frente a cortocircuitos I:

La intensidad de fusión del fusible en 5 segundos, debe de ser menor que laintensidad que aguanta el conductor al producirse un cortocircuito quedure los 5 segundos. Si no se cumple, hay que elevar la sección delconductor.

De esta forma aseguramos que cuando funde el fusible a los 5 segundos,por el cable habrá pasado una intensidad inferior a la máxima que puedesoportar, y por lo tanto el conductor no habrá superado su temperatura decortocircuito.

5ª Condición de protección frente a cortocircuitos II:


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Con esta condición aseguramos que una corriente pequeña de

cortocircuito, no sea confundida por el fusible como una sobrecarga, y porlo tanto, si el fusible la ve mayor que la IF5, entonces fundirá en menos de 5segundos, que es el tiempo máximo que puede durar un cortocircuito.

6ª Condición de protección frente a cortocircuitos III:

Si no se cumple esta condición, habría que elevar la sección, calculando denuevo "Zt = Zf" e "Ipccf" (varía al cambiar impedancia del último tramo) ycomprobando otra vez la quinta y sexta condición.

Con base en las curvas de fusión y características técnicas determinadaspor fabricantes de fusibles como MESA y SIBA se determinó una vez aplicadoel criterio anterior que los fusibles a usar, son tipo expulsión con curva defusión h

Protección de la red de media tensión: 1A /25kA

Trasformador de 5 KVA, lado de baja 30/25KA.

10. ANÁLISIS DE RIESGOS

El análisis de riesgos se muestra se realiza con el Software IEC Risk AssessmentCalculator el cual realiza el análisis en base a la norma IEC 62305-2. Anexo

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