estudio de reestructuración de la central de generación y

212
Universidad de La Salle Universidad de La Salle Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería 1-1-2001 Estudio de reestructuración de la central de generación y la red de Estudio de reestructuración de la central de generación y la red de distribución de Puerto Inírida distribución de Puerto Inírida Fernanda Victoria Pulido Sotelo Universidad de La Salle, Bogotá Oscar Andrés Zabaleta Montenegro Universidad de La Salle, Bogotá Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica Citación recomendada Citación recomendada Pulido Sotelo, F. V., & Zabaleta Montenegro, O. A. (2001). Estudio de reestructuración de la central de generación y la red de distribución de Puerto Inírida. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ ing_electrica/458 This Trabajo de grado - Pregrado is brought to you for free and open access by the Facultad de Ingeniería at Ciencia Unisalle. It has been accepted for inclusion in Ingeniería Eléctrica by an authorized administrator of Ciencia Unisalle. For more information, please contact [email protected].

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Page 1: Estudio de reestructuración de la central de generación y

Universidad de La Salle Universidad de La Salle

Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle

Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

1-1-2001

Estudio de reestructuración de la central de generación y la red de Estudio de reestructuración de la central de generación y la red de

distribución de Puerto Inírida distribución de Puerto Inírida

Fernanda Victoria Pulido Sotelo Universidad de La Salle, Bogotá

Oscar Andrés Zabaleta Montenegro Universidad de La Salle, Bogotá

Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica

Citación recomendada Citación recomendada Pulido Sotelo, F. V., & Zabaleta Montenegro, O. A. (2001). Estudio de reestructuración de la central de generación y la red de distribución de Puerto Inírida. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica/458

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Page 2: Estudio de reestructuración de la central de generación y

ESTUDIO DE REESTRUCTURACION DE LA CENTRAL DE GENERACION Y LA

RED DE DISTRIBUCION DE PUERTO INÍRIDA

FERNANDA VICTORIA PULIDO SOTELO

OSCAR ANDRES ZABALETA MONTENEGRO

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERIA ELÉCTRICA

CENTRALES Y SUBESTACIONES Y REDES DE DISTRIBUCION

BOGOTÁ 2001

Page 3: Estudio de reestructuración de la central de generación y

ESTUDIO DE REESTRUCTURACION DE LA CENTRAL DE GENERACION Y LA

RED DE DISTRIBUCION DE PUERTO INÍRIDA

FERNANDA VICTORIA PULIDO S. COD 42941075

OSCAR ANDRES ZABALETA M. COD 42931077

MONOGRAFÍA PARA OPTAR EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

DIRECTOR

PEDRO NEL OVALLE P.

INGENIERO ELÉCTRICO

UNIVERSIDAD DE LA SALLEFACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ, 2001

Page 4: Estudio de reestructuración de la central de generación y

i

Nota de aceptación

------------------------------------------------------

------------------------------------------------------

------------------------------------------------------

------------------------------------------------------ Doctor Hernán Carvajal Osorio Decano Facultad de Ingeniería Eléctrica

----------------------------------------------------- Ingeniero Pedro Nel Ovalle P. Director

----------------------------------------------------- Jurado

----------------------------------------------------- Jurado

Bogotá, ------ ------ ------ Día Mes Año

Page 5: Estudio de reestructuración de la central de generación y

ii

A Dios por ser el primero y, a nuestros padres, porque siempre nos dijeron sigan

adelante.

Page 6: Estudio de reestructuración de la central de generación y

iii

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos a :

Pedro Nel Ovalle, Ingeniero Eléctrico y Director de Monografía, por sus valiosas

orientaciones y constante motivación para el desarrollo de esta investigación.

Doctor Hernán Carvajal, por su orientación y apoyo en momentos de

incertidumbre.

Fernando Gómez, Ingeniero Electricista, por las pautas que nos brindó al

comienzo de la monografía.

Jorge Alvarez, Ingeniero Civil, IPSE, por su valiosa orientación y colaboración en

las primeras etapas de la monografía.

William Soto, Ingeniero Mecánico, por su apoyo y colaboración en la elaboración

de la monografía.

Sergio Guzmán, Ingeniero Eléctrico, por su ayuda y colaboración desinteresada en

el desarrollo de la monografía.

Y a las diversas Instituciones que directa o indirectamente, nos brindaron su ayuda

para la realización de la monografía.

Page 7: Estudio de reestructuración de la central de generación y

iv

Ni la Universidad ni el asesor ni el jurado calificador son responsables por las

ideas expuestas por el graduando en este documento.

Page 8: Estudio de reestructuración de la central de generación y

LISTADO DE TABLAS

pág

TABLA 1.1 Características de los equipos de Generación 22

TABLA 1.2 Características de los transformadores 26

TABLA 3.1 Proyección de la Población en Puerto Inirida 90

TABLA 3.2 Proyección de usuarios en Puerto Inirida 91

TABLA 3.3 Proyección Anual de Demanda de Potencia 92

TABLA 3.4 Proyección Anual de Demanda de energía 93

TABLA 4.1 Generación en Puerto Inírida en 15 años alternativa 1 98

TABLA 4.2 Generación en Puerto Inírida en 15 años alternativa 2 101

TABLA 4.3 Energía diaria generada en 18 y 24 horas 103

TABLA 4.4 Grupos electrógenos de la central de Puerto Inírida 114

TABLA 4.5 Transformadores de la central de Puerto Inírida 119

TABLA 4.6 Costos de operación y mantenimiento alternativa 1 160

TABLA 4.7 Costos de operación y mantenimiento alternativa 2 161

TABLA 5.1 Parámetros generales del circuito 1 164

TABLA 5.2 Transformadores circuito 1 165

TABLA 5.3 Tipos de estructuras circuito 1 165

TABLA 5.4 Alumbrado público circuito 1 165

TABLA 5.5 Parámetros generales circuito 2 166

TABLA 5.6 Transformadores circuito 2 166

TABLA 5.7 Tipos de estructuras circuito 2 166

Page 9: Estudio de reestructuración de la central de generación y

pág

TABLA 5.8 Alumbrado público circuito 2 167

TABLA 5.9 Parámetros generales circuito 3 167

TABLA 5.10 Transformadores circuito 3 167

TABLA 5.11 Tipos de estructuras circuito 3 167

TABLA 5.12 Alumbrado público circuito 3 168

TABLA 5.13 Pérdidas de Potencia en la red primaria 186

TABLA 5.14 Resumen de los cálculos de regulación C1 189

TABLA 5.15 Resumen de los cálculo de regulación C2 190

TABLA 5.16 Resumen de los cálculos de regulación C3 190

TABLA 5.17 Estado actual de los transformadores C1 191

TABLA 5.18 Estado actual de los transformadores C2 192

TABLA 5.19 Estado actual de los transformadores C3 192

TABLA 5.20 Resumen de los transformadores que no operan normalmente 194

TABLA 5.21 Valor máximo de la regulación en redes de distribución 196

TABLA 5.22 Regulación redes secundarias a 15 años C1 197

TABLA 5.23 Regulación redes secundarias a 15 años C2 198

TABLA 5.24 Regulación redes secundarias a 15 años C3 198

TABLA 5.25 Reposición de transformadores 203

TABLA 5.26 Plan de reposición de transformadores 203

TABLA 5.27 Costo de reestructuración C1T4 205

Page 10: Estudio de reestructuración de la central de generación y

pág

TABLA 5.28 Costo de reestructuración C1T9 205

TABLA 5.29 Costo de reestructuración C1T15 205

TABLA 5.30 Costo de reestructuración C1T28 205

TABLA 5.31 Costo de reestructuración C2T12 206

TABLA 5.32 Costo de reestructuración red media tensión 206

TABLA 5.33 Costo de reposición de transformadores 206

TABLA 5.34 Ahorro de pérdidas de potencia 208

Page 11: Estudio de reestructuración de la central de generación y

LISTADO DE FIGURAS

Pág

FIGURA 2.1 Curvas de degradación de potencia 33

FIGURA 2.2 Gráfica de reducción de potencia 34

FIGURA 2.3 Dimensionamiento de un grupo electrógeno 38

FIGURA 2.4 Acople por banda 41

FIGURA 2.5 Voltaje de salida del generador 48

FIGURA 2.6 versión modificada de la anterior 48

FIGURA 2.7 Curva de demanda típica 50

FIGURA 2.8 Circuito típico para un servomotor 57

FIGURA 2.9 Sistema de distribución radial con alimentadores trifásicos

de tres hilos 71

FIGURA 2.10 Sistema de distribución radial con alimentadores primarios

trifásicos de cuatro hilos 72

FIGURA 2.11 Conexión de dos alimentadores para formar anillo 74

FIGURA 2.12 Sistema secundario trifásico, cuatro hilos 75

FIGURA 2.13 Sistema monofásico de tres hilos 76

FIGURA 2.14 Alimentación ocasional de cargas trifásicas en zonas de

alimentaciones monofásicas 77

FIGURA 2.15 Sistema de distribución radial subterráneo 79

FIGURA 2.16 Sistema de distribución en anillo normalmente abierto

para zonas residenciales subterráneas 80

FIGURA 2.17 Sistema de distribución de red automática secundaria 82

FIGURA 2.18 Red automática secundaria para cargas concentradas 83

FIGURA 4.1 Diagrama unifilar situación actual Puerto Inírida 94

FIGURA 4.2 Generación diaria estimada en Puerto Inírida 96

FIGURA 4.3 Generación diaria estimada con servicio 24 horas 103

Page 12: Estudio de reestructuración de la central de generación y

pág

FIGURA 4.4 Flujo de carga con tres unidades en servicio año 0 alt 1 105

FIGURA 4.5 Flujo de carga con tres grupos en servicio año 15 alt 1 106

FIGURA 4.6 Flujo de carga con dos generadores en servicio año 15 alt 1 106

FIGURA 4.7 Flujo de carga con tres generadores en servicio año 0 alt 2 107

FIGURA 4.8 Flujo de carga con tres generadores en servicio año 15 alt 2 108

FIGURA 4.9 Flujo de carga con dos generadores en servicio año 15 alt 2 109

FIGURA 4.10 Corto circuito monofásico alternativa 1 111

FIGURA 4.11 Cortocircuito trifásico barra 13.2 Kv alternativa 1 111

FIGURA 4.12 Cortocircuito trifásico en todas las barras alternativa 1 112

FIGURA 4.13 Cortocircuito monofásico barra 13,2 Kv alternativa 2 112

FIGURA 4.14 Cortocircuito en todas las barras alternativa 2 113

FIGURA 4.15 Transformador de corriente 127

FIGURA 4.16 Curvas características de los relés de respaldo 128

FIGURA 4.17 Conexión para sincronismo 131

FIGURA 4.18 Diagrama de protecciones 132

FIGURA 4.19 Comportamiento típico del relé de sobrecorriente 133

FIGURA 4.20 Conexión típica del relé de sobrecorriente 133

FIGURA 4.21 Curva de Saturación 148

FIGURA 5.1 Rangos de Compatibilidad de tensión 172

FIGURA 5.2 Limites de Tolerancia de tensión 173

FIGURA 5.3 Diagrama Fasorial 183

Page 13: Estudio de reestructuración de la central de generación y

LISTADO DE ANEXOS

pag

ANEXO 1 Localización geográfica de Puerto Inírida 213

ANEXO 2 Reportes flujos de carga, alternativa 1 214

ANEXO 3 Reportes flujos de carga, alternativa 2 215

ANEXO 4 Repotes de corto circuito, alternativa 1 216

ANEXO 5 Reporte de corto circuito, alternativa 2 217

ANEXO 6 Tabla para selección de interruptores 218

ANEXO 7 Tabla para la selección de barras 219

ANEXO 8 Curva característica del aluminio 220

ANEXO 9 Características de los conductores 221

ANEXO 10 Tablas de regulación red primaria 222

ANEXO 11 Tablas de pérdidas de potencia pico red primaria 223

ANEXO 12 Diversificación y proyecciones de demanda por usuario 224

ANEXO 13 Tablas de regulación de tensión y diagramas unifilares

de los circuitos de la red secundaria 225

ANEXO 14 Tablas de regulación de los circuitos reestructurados 226

ANEXO 15 Pérdidas de potencia redes secundarias, ctos reestructurados 227

ANEXO 16 Planos 228

Page 14: Estudio de reestructuración de la central de generación y

xvii

RESUMEN

En este estudio se presenta un modelo para llevar a cabo reestructuraciones desistemas eléctricos pequeños basados en generación diesel, tomando comoescenario la ciudad de Puerto Inírida. La reestructuración se adelantó en la centralde generación, la subestación elevadora de la central y la red de distribución de laciudad en mención.

El trabajo realizado en la central generadora de energía consistió en efectuar unanálisis de las condiciones técnicas de funcionamiento de los grupos electrógenosque allí operan y la respectiva configuración de la subestación. Posteriormente seformularon dos alternativas óptimas desde el punto de vista técnico, que buscansolucionar los problemas actuales de la central, teniendo en cuenta en lapreselección, criterios de mínimo costo. Finalmente se compararon las dosalternativas respecto a su costo, para recomendar cuál es la configuración que sedebe implementar en la central y su respectiva subestación.

Respecto al estudio llevado a cabo en el sistema de distribución, se efectuó unavaloración del funcionamiento de la red, para formular algunas remodelaciones,buscando mejorar la calidad del servicio prestado y disminuir las pérdidaseconómicas que esta situación representa a la empresa operadora del sistema.Todo esto limitado por el componente económico, factor determinante en cualquierdiseño de ingeniería, más en este tipo de región.

En el primer capítulo se realiza una breve descripción del estado actual de lacentral de generación y la red de distribución.

El segundo capítulo sirve como marco de referencia para el posterior análisis dereestructuración, en el cual se abordan conceptos y definiciones básicas de losgrupos electrógenos, sus diversos tipos de aplicaciones, recomendaciones para suselección y procedimientos para dimensionarlos. También se describen diversasconsideraciones como el tipo de carga y variadas formas de operación, al igualque se delinean metodologías para llevar a cabo en forma óptima y eficaz laoperación y mantenimiento de los grupos electrógenos. Todo esto dentro de unmarco normativo formulado por fabricantes y diversas autoridades en el tema.

Respecto a los sistemas de distribución, se describen diversas definiciones, que apesar de su sencillez son de gran utilidad en el desarrollo de cualquier proyectorelacionado con redes de distribución. De otro modo, se enuncian los diferentestipos de redes, de acuerdo a los requerimientos específicos de cada grupo deconsumidores, y se hace énfasis en los condicionamientos a los que estánsometidos este tipo de instalaciones.

Page 15: Estudio de reestructuración de la central de generación y

xviii

En el capítulo tres se aplica una metodología la cual tiene por objeto caracterizarla demanda de energía de la ciudad, ajustándose a las dificultades propias de loshabitantes de los antiguos territorios nacionales para de este modo hacer unaproyección acertada, utilizando la información recopilada en los diferentes censosque ha realizado el DANE.

El capítulo cuatro se refiere a la optimización del sistema de generación actual,considerando la problemática de la ciudad, con los diversos factores que impidenuna óptima prestación del servicio. Se plantean dos estrategias encaminadas abrindar mejores condiciones técnicas para un eficiente servicio, realizando surespectivo diseño consistente en seleccionar y especificar los grupos electrógenosque se deben implementar, con estudios de flujos de carga y de corto circuito(utilizando el software ”Spard”). Se especifican elementos como interruptores yprotecciones; y se elabora un listado de materiales a utilizar en cada alternativa.Estas dos alternativas se comparan entre sí, analizando fortalezas y falenciastécnicas, para finalmente proceder a elaborar un análisis económico, en el cual seinvolucran variables, tales como costos de inversión inicial, operación ymantenimiento, análisis que es tomado como base para recomendar la alternativaque más se ajusta a las necesidades energéticas de la población.

En el quinto y último capítulo, se efectúa una detallada descripción del sistema dedistribución, con su valoración técnica, la cual contempla el análisis de regulacióny pérdidas de potencia, tanto de la red primaria, como de la secundaria y seformula una estrategia para mejorar el sistema de distribución de la ciudad.También se realiza un plan de sustitución de transformadores de acuerdo con elcrecimiento de la demanda de energía descrito en el capítulo 3. Finalmente, seelabora un análisis sobre los costos que implica adelantar la reestructuración en lared, en el cual vemos que sí es viable económicamente realizar la inversión queeste estudio plantea, en comparación con una operación deficiente y de bajacalidad en el servicio, como ocurre en la actualidad.

De este modo, se han cumplido a cabalidad los objetivos de este estudio.

Page 16: Estudio de reestructuración de la central de generación y

xix

INTRODUCCIÓN

A pesar de la gran cantidad de sistemas de avanzada tecnología que existen en

nuestros tiempos, destinados a producir electricidad, la utilización de grupos

electrógenos sigue siendo una alternativa eficaz para resolver los problemas

energéticos de distintos tipos de usuarios, bien sean estos de sectores tan

diversos como el industrial, comercial, de salud, recreación o, como en el caso

concreto que se analiza en este estudio, habitantes de zonas remotas, que

además de estar bastante alejados de puntos de interconexión con algún sistema

nacional o regional, no cuentan con recursos naturales tales como el carbón, gas o

recursos hídricos utilizables en la industria de la generación de energía eléctrica.

Es por eso que hemos centrado nuestros esfuerzos en plantear estrategias, que

permitan aprovechar al máximo las bondades que nos brindan este tipo de

máquinas, surgiendo el interés por trabajar en la reestructuración de los sistemas

de generación y distribución de la ciudad de Puerto Inírida, buscando dar solución

a algunas dificultades técnicas que se presentan, sobre todo, en lo concerniente a

su central de generación, la cual implementa grupos electrógenos. Las falencias

en cuanto a infraestructura eléctrica se refiere, derivan de la falta de una

planeación adecuada con la cual fue creciendo el sistema.

Respecto al análisis del componente de distribución del sistema eléctrico, siempre

es conveniente adelantar evaluaciones acerca de su funcionamiento, en sistemas

que como este se ha construido por partes, dependiendo de los recursos con que

se cuenta en el momento de la obra. Por este motivo es que se ha adelantado un

diagnóstico del estado de la regulación de tensión y las pérdidas de potencia de la

red de Puerto Inírida, para determinar la conveniencia que representa para la

empresa, llevar a cabo la reestructuración formulada en este estudio.

Page 17: Estudio de reestructuración de la central de generación y

xx

Considerando la obligación que la electrificadora tiene con sus usuarios de

prestarle un servicio de calidad, de acuerdo a las disposiciones legales exigidas

por los entes reguladores de este bien público, así no sea atractivo

económicamente para la empresa encargada de operar los sistemas de

distribución y generación, en este caso de la ciudad de Puerto Inírida, se debe

buscar un equilibrio entre las inversiones a realizar, el presupuesto con el que

cuenta y el beneficio social y económico de la póblación que resultará de la

inversión. De lo contrario, por una parte, pueden ser sancionados, o de otro modo,

se hace inviable la empresa. Este estudio solamente compara entre si dos

alternativas de generación de energía y escoge la más económica, en cuanto a su

parte de generación y, respecto a la red, identifica cuales son los problemas de

esta, y procede a plantear soluciones. En ningún momento pretende dar solución

a la problemática en conjunto de la empresa.

El mayor aporte de este estudio se encuentra en la reestructuración de la red de

baja tensión, donde proponemos adelantarla financiándola con los ahorros

procedentes de la disminución de las pérdidas de energía, dando así una solución

concreta a un problema.

Estamos seguros que es de vital importancia trabajar en favor de comunidades

menos favorecidas, y esta es una excelente oportunidad para poner a prueba

nuestro tesón y vencer las adversidades que implica enfrentarse a una tarea de

esas características. Por eso pretendemos que este documento, aparte de ser un

elemento de consulta para quienes estén interesados en emprender algún tipo de

actividad similar a la nuestra, contribuya de algún modo, con el fortalecimiento de

la infraestructura eléctrica de la población en mención o de alguna otra con

características semejantes.

Page 18: Estudio de reestructuración de la central de generación y

20

1. SISTEMAS DE GENERACIÓN Y DISTRIBUCION ACTUALES EN PUERTO

INIRIDA

1.1 DESCRIPCIÓN DE LA REGIÓN

Puerto Inírida es la Capital del Departamento del Guainía, se encuentra ubicada

en la Orinoquía Colombiana, limita con los Departamentos del Vichada, Guaviare,

Vaupes y es frontera con Ayacucho (Venezuela) como se aprecia en el mapa de

localización geográfica (anexo 1). Es una región con perspectivas de desarrollo

por sus riquezas auríferas comprobadas en las Serranías de Naquén y

Caranacoa.

La actividades económicas más importante de la región son la explotación

forestal, la agricultura, y la pesca.

1.2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ACTUAL DE GENERACION

1.2.1 Capacidad Actual

En Puerto Inírida el servicio de energía eléctrica ha estado bajo la responsabilidad

directa de la Gobernación del Guainía. Para su prestación se cuenta con cuatro

grupos electrógenos así : Dos unidades Cummins con capacidad de generación

de 1250 kW cada una, dos unidades Issotta Fraschini con capacidad de 637 kW y

900 kW, respectivamente.

Actualmente solo funcionan las dos unidades Cummins.

La cobertura del servicio es del 99.8%, atendiendo 1640 usuarios en el casco

urbano durante un tiempo promedio de 17 horas diarias, contabilizadas en función

de los distintos horarios existentes en la programación del servicio. El servicio de

alumbrado público es atendido en un 40% del área urbana de la Capital.

Page 19: Estudio de reestructuración de la central de generación y

21

1.2.2 Central Diesel Existente

La planta se encuentra ubicada al Nororiente de la población sobre la vía que

conduce al Puerto, con un área construida de 1650 metros cuadrados en un

terreno de (55*70) 3.850 metros cuadrados, con las siguientes especificaciones :

pisos de concreto, puertas metálicas y estructura de soporte metálicas.

Al interior de la edificación se localizan cuatro unidades generadoras para trabajo

continuo, una unidad de generación de servicio auxiliar, el centro de control y el

depósito de herramientas e insumos menores.

Al exterior se encuentran los tanques de almacenamiento de combustible y la

subestación.

La propiedad del terreno está en proceso de legislación, la construcción es

propiedad de la Gobernación del Guainía.

1.2.2.1 Unidades de Generación Diesel

En las siguiente tabla 1.1 se especifican las características de los equipos de

generación Diesel :

Page 20: Estudio de reestructuración de la central de generación y

22

CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS DE GENERACIÓN

DESCRIPCIÓN UNIDAD PLANTA 1 PLANTA 2 PLANTA 3 PLANTA 4 SERV. AUX.

FAB. MOTOR ISSOTA FRACHINI ISSOTA FRACHINI CUMMINS CUMMINS PERKINS

FAB. GENERADOR ERCOLE MARELLI ERCOLE MARELLI ONAN ONAN STAMFORD

MODELO MOTOR 3616081 2858F03 KTA-50-G3 KTA-38-G4 K 6

MODELO GENER, M511500 CG-6 MXA500 AG-6 1250 DFLC DEJD-3375239 BC I 184FI

No SERIE MOTOR ID36SS16VII ID36SS12V 33130089 25244763 DB 2333-4764

No SERIE GENER. 6MR4353 MR 4355 D950574110 11990959801 CO 74583

VOLTAJE GENER. VOLTIOS 4160 4160 440 440 220

FRECUENCIA Hz 60 60 60 60 60

VELOCIDAD RPM 1200 1200 1800 1800 1800

POTENCIA ACTIVA Kw 900 637 1250 1250 27.5

POTENCIA APARENT KVA 1125 796 1563 1563

FAC. DE POTENCIA COSϕ 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8

CONSUMO COMB. GLS/HORA 55 30 85 85

CONSUMO ACEITE GLS 46 33 44 40

AÑO DE FABRICA. AÑO 1990 1989 1995 1999 1998

TABLA 1.1

Page 21: Estudio de reestructuración de la central de generación y

23

1.2.2.2 Instrumentos de Medición y Control

Planta 1 : ISSOTTA FRACHINI (900 kW)

• Amperímetro Analógico con selector de fases

• Frecuencimetro Analógico

• Voltímetro Analógico con selector de fases

• Horómetro

Planta 2 : ISSOTTA FRACHINI (637 kW)

• Amperímetro Analógico con selector de fases

• Frecuencimetro Analógico

• Voltímetro Analógico con selector de fases

• Horómetro

Planta 3 : CUMMINS (1250 kW)

• Amperímetro digital con selector de fases. Escala 0 a 9999 A

• Frecuencimetro digital. Unidad de medida hz

• Voltímetro digital con selector de fases. Escala 0 a 9999 V

• Manómetro de presión de aceite. Unidad de medida kilopascales

• Horómetro

• La unidad de generación cuenta con un interruptor general de 2000A /600V

marca Mitshubishi

Planta 4 : CUMMINS (1250 kW)

• Amperímetro digital con selector de fases. Escala 0 a 9999 A

• Frecuencímetro digital. Unidad de medida hz

• Voltímetro digital con selector de fases. Escala 0 a 9999 V

Page 22: Estudio de reestructuración de la central de generación y

24

• Manómetro de presión de aceite. Unidad de medida kilopascales

• Horómetro

• La unidad de generación cuenta con un interruptor general de 2000A /600V

marca Mtshubishi

Servicios Auxiliares : PERKINS (27.5 kW)

• Amperímetro Analógico

• Frecuencimetro Analógico

• Voltímetro Analógico

• Horómetro

1.2.2.3 Almacenamiento y Manejo del Combustible

El combustible Diesel es comprado en Ayacucho (Venezuela) y transportado hasta

los tanques de la Central donde es almacenado directamente. La capacidad de

almacenamiento asciende a 19837 galones (75 m3) dispuestos así:

• Un tanque metálico con capacidad de 10387 galones (39.32 m3)

• Dos tanques metálicos con capacidad de 2050 galones cada uno (7.76 m3)

• Un tanque metálico con capacidad de 5000 galones (18.93 m3)

• Un tanque metálico con capacidad de 350 galones (1.32 m3)

Con un consumo promedio diario de 1777 galones, la central cuenta con una

autonomía de 17 días en función de esta capacidad de almacenamiento.

1.2.2.4 Sistema Contra Incendios

La central carece de un sistema contra incendios y de extintores; situación que

sumada a la presencia de combustibles y aceites constituye un gran riesgo para la

seguridad de los operarios y de las unidades de generación. Paralelo a la

Page 23: Estudio de reestructuración de la central de generación y

25

adecuación de los fosos de captación de derrames de combustible, se debe

adquirir un sistema contra incendios, compuesto por extintores portátiles y uno con

capacidad suficiente para el área de los tanques de combustible.

1.2.2.5 Talleres y Almacén

Existe un pequeño taller dotado de herramientas para realizar reparaciones

menores. En cuanto al almacén, se utiliza para efecto el mismo de la Gobernación.

1.2.2.6 Subestación

La subestación está ubicada a un costado de la construcción, cuenta con tres

transformadores, aunque solo dos de ellos están conectados en la actualidad.

Una vez generada la energía, ésta es llevada a los transformadores por

conductores a través de ductos portacables. Los transformadores elevan el voltaje

a 13.200 voltios para iniciar la distribución utilizando tres circuitos en media

tensión.

La subestación cuenta con su respectiva sala de control.

Las características de los transformadores se indican en la tabla 1.2 :

Page 24: Estudio de reestructuración de la central de generación y

26

CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSFORMADORES

TRAFO 1 TRAFO 5 TRAFO 2 TRAFO 3 TRAFO 4DESCRIPCIÓN UNIDAD

PLANTAS 1 Y 2 RESERVA PLANTA 4 PLANTA 3 RESERVA

FABRICANTE SIEMENS SIEMENS SIEMENS T Y F SIEMENS

POTENCIA kVA 2000 800 1600 1600 800

RELACION DE TRANSFORMACION VOLTIO

S

4160/13800-7967 4160-2400/13800 460-266/13800 440/13800-7960 13200/458-264

GRUPO DE CONEXIÓN DYN7 DYN5 DYN5 DYN5 DYN5

µK % 5.81 4.86 5.2 6.44 4.65

TANQUE DE EXPANSION SI SI NO SI NO

RELE BUCHHOLZ SI NO NO SI NO

RELE DE PRESIÓN SUBITA SI NO SI NO NO

PESO TOTAL KG 4700 2700 3910 4950 1863

VOLÚMEN ACEITE LTS 1410 700 1005 1454 495

COMPRA-INST. AÑO 1990 1995 1998 1996 1995

TABLA 1.2

Page 25: Estudio de reestructuración de la central de generación y

27

Todos los transformadores son trifásicos y cuentan como protección con tres

descargadores de sobretensión de 12 kV, tres cortacircuitos monopolares 15 kV

con fusible y puesta a tierra mediante un conductor de cobre desnudo calibre 4

AWG conectado a una varilla Coperweld de 5/8 de pulgada de diámetro que se

encuentra enterrada cerca de la base de la estructura que sostiene a cada

transformador.

1.3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ACTUAL DE DISTRIBUCION

La red de distribución de la ciudad de Puerto Inírida en la actualidad cuenta con

tres circuitos los cuales son los encargados de abastecer de energía eléctrica en

su totalidad a la cabecera municipal (ver anexo 16 plano 1).

El circuito número uno consta de 35 transformadores de los cuales podemos

destacar el transformador de 150 kVA, que alimenta el aeropuerto; dos de 150 y

112.5 kVA respectivamente que suministran energía eléctrica al hospital y a una

clínica. La potencia total instalada en el circuito es de 1982.5 kVA y su longitud es

de 10.7 Km. Básicamente el circuito uno cubre la zona suroriental de la ciudad.

En cuanto al circuito dos, podemos agregar que este abastece de energía la zona

céntrica. Este circuito esta conformado por 13 transformadores, los cuales

representan una carga total de 847.5 kVA. El circuito tiene una longitud de 4.5 Km

aproximadamente.

Finalmente, el denominado circuito tres está constituido por 15 transformadores

trifásicos de los cuales su potencia nominal varía entre 30 kVA y 112.5 kVA. La

potencia instalada total es de 960 kVA y la longitud del circuito es de 3 Km. Este

circuito alimenta una zona cuyo consumo de energía es residencial estrato uno.

Page 26: Estudio de reestructuración de la central de generación y

28

El conductor utilizado en los tres circuitos que constituyen la red primaria de

distribución de Puerto Inírida, es Raven ACSR 1/0. La tensión de la red primaria

de distribución es de 13.2 kV trifásica.

Las estructuras utilizadas en los tres circuitos están montadas en su gran mayoría

en postes de concreto. Las estructuras más utilizadas son la 523, 533, 553 y 562

de acuerdo al código ICEL especificado en las Normas Para Construcción de

Redes de Distribución.

De acuerdo a la información suministrada por el IPSE, el estado físico de la red

está en condiciones óptimas, esto quiere decir que las estructuras están

completas y no presentan deterioro alguno.

La parte de baja tensión también se encuentra montada en posteria de concreto,

utilizando estructuras ICEL 610 y 611; sus conductores son de aluminio

encauchetado No 2, 2/0 AWG.

El resto del inventario de los circuitos de media y baja tensión esta especificado en

el capítulo 5, donde se efectúa la valoración del estado actual de la red.

Page 27: Estudio de reestructuración de la central de generación y

29

2. FORMULACIÓN CONCEPTUAL DE GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓN ENSISTEMAS ELECTRICOS

2.1 GRUPOS ELECTRÓGENOS

2.1.1 Introducción a los Grupos Electrógenos

La necesidad de energía eléctrica es cada vez mayor y en cualquier caso donde

se use o pueda ser usada, se tiene una aplicación potencial para lo que se

denomina corrientemente un GRUPO ELECTRÓGENO.

El grupo electrógeno más empleado es aquel en el cual el generador es accionado

por un motor diesel, configurándose lo que se conoce como un GRUPO

ELECTRÓGENO DIESEL o una PLANTA ELÉCTRICA DIESEL.

Se construyen también grupos electrógenos que emplean motores de gas y

motores de gasolina.

Los grupos electrógenos diesel se construyen en principio para tres categorías de

empleo básicas que se conocen como:

• "STAND-BY" O "EMERGENCY"

• "PRIME"

• "CONTINUOUS"

Los valores nominales de placa se establecen con base en normas que definen

las condiciones ambientales de referencia a las cuales debe trabajar la máquina.

Los fabricantes de grupos electrógenos se ajustan a la norma, y en muchos casos,

la sobrepasan garantizando las especificaciones de placa para condiciones más

severas y desventajosas.

Page 28: Estudio de reestructuración de la central de generación y

30

La categoría de empleo "STAND-BY" sólo es aplicable en plantas que van a

funcionar por períodos de corta duración, originados por una interrupción en el

suministro de energía normal. En esta categoría la planta no admite capacidad de

sobrecarga sostenida o estacionaria y sólo puede aplicarse a sistemas que operan

con carga variable con factor de potencia de 0.8 o mayor, por períodos no

mayores de 1 hora y un máximo de 200 horas de operación por año. La categoría

"stand-by" no permite la operación de la planta en paralelo o la potencia

especificada de placa que se conoce como "stand-by power rating".

La categoría de empleo "PRIME" es aplicable en principio a plantas eléctricas

cuando se carece del servicio de energía normal, o cuando se tienen establecidos

períodos de racionamiento considerables. En esta categoría es posible utilizar la

planta bajo condiciones de carga variable por cualquier número de horas por año,

pero limitando en todo momento el pico de demanda máxima a la potencia

especificada en placa que se conoce como "prime power rating".

En el caso de que la operación se realice bajo condiciones de carga constante se

aceptan varias alternativas:

• La planta puede operar como unidad independiente a la potencia especificada

como "prime" sin exceder 500 horas por año, siendo admisible una capacidad

de sobrecarga sostenida del 10% por períodos hasta de 1 hora dentro de un

período de 12 horas de operación sin exceder 25 horas por año.

• La planta puede operar en paralelo con la red en servicio normal por períodos

hasta de 750 horas por año con demandas que en ningún momento excedan la

potencia especificada de placa.

Si la planta ha de operar en paralelo con carga variable, el factor de carga no debe

exceder el 70% de la potencia especificada en placa como "prime".

Page 29: Estudio de reestructuración de la central de generación y

31

La categoría de empleo definida como "CONTINUOUS" es aplicable al suministro

de potencia en forma continua por un número limitado de horas bajo condiciones

de carga constante o variable a la potencia especificada como "continuous power

rating" o "base power rating". En esta categoría la planta puede operarse en

forma independiente o en paralelo y no admite capacidad de sobrecarga.

2.1.2 Selección de un Grupo Electrógeno

Un grupo electrógeno se debe planear de tal forma que satisfaga las necesidades

específicas de la instalación.

El sistema escogido debe en principio adaptarse a las condiciones eléctricas en el

sitio de la instalación.

Por regla general el tamaño de un grupo electrógeno lo define la capacidad del

generador en kVA, que para un sistema trifásico es:

1000

3VIkVA =

Y para un sistema monofásico es:

1000

VIkVA =

Donde:

V : Voltaje nominal entre fases del generador.

I : Corriente de línea del generador.

Page 30: Estudio de reestructuración de la central de generación y

32

La capacidad de un grupo electrógeno viene indicada en la placa del generador y

significa que si el equipo se opera a velocidad y voltaje nominal, el generador

puede manejar una carga nominal (expresada en kVA) igual a la especificada por

la categoría de empleo.

Lo anunciado anteriormente no es totalmente válido pues el rendimiento del grupo

electrógeno, y muy particularmente del motor, se ve afectado cuando cambian las

condiciones ambientales de referencia.

Los factores ambientales a considerar son los siguientes:

LA TEMPERATURA AMBIENTE EN EL SITIO DE LA INSTALACIÓN DEL GRUPO

ELECTRÓGENO:

En general, para plantas eléctricas cuyo motor es refrigerado por agua, la máxima

temperatura ambiente, en condiciones normales de funcionamiento, no debe

exceder el valor especificado por los fabricantes, que es de 40°C.

Los grupos electrógenos refrigerados por agua trabajan satisfactoriamente entre

15°C y 40°C, aunque por norma se indique la referencia para 25°C.

Cuando la temperatura ambiente es superior a 40°C, la capacidad de placa se ve

reducida entre 1 y 2.5 % por cada 5°C de elevación. Los fabricantes de grupos

electrógenos suministran curvas particulares de degradación de potencia de la

temperatura ambiente, según se ilustra en la figura 2.1.

Page 31: Estudio de reestructuración de la central de generación y

33

CURVAS DE DEGRADACIÓN DE POTENCIA

FUENTE: GRUPOS ELECTROGENOS DIESEL (Valencia Gall)

LA ALTURA :

La altura es otro factor importante a tener en cuenta en el cálculo de la capacidad

efectiva de la planta.

A mayor altura el aire es menos denso y tiene menos oxígeno; por este motivo se

ve reducida la capacidad de refrigeración y la relación aire/combustible. El motor

necesita cantidades de aire suficientes para convertir todo el combustible en

energía y al mismo tiempo mantenerse relativamente frío.

Los grupos electrógenos (refrigerados por agua) turboalimentados operan

satisfactoriamente hasta una altura de 1500 metros.

0 15 40 50 60

T

KT

1.05

1.00

0.95

0.90

0.85

Q ( punto de capacidad nominal )

Rango de temperatura paraoperación satisfactoria

T : Temperatura ambiente (°C)KT : Factor de reducción de Potencia por temperatura

FIGURA 2.1

Page 32: Estudio de reestructuración de la central de generación y

34

Por encima de la altura de referencia una planta ve reducida su capacidad de

placa hasta en un 3% por cada 330 metros (1000 pies). Adicionalmente, por

encima de los 2500 metros el motor baja su potencia a un 4% por cada 330

metros.

En la figura 2.2 se muestra la gráfica de reducción de potencia típica para un

grupo electrógeno.

GRAFICA DE REDUCCIÓN DE POTENCIA

FUENTE: GRUPOS ELECTROGENOS DIESEL (Valencia Gall)

EL POLVO :

El polvo es otro enemigo de los grupos electrógenos. No sólo el polvo corriente,

sino las muchas clases de polvo provenientes de diversos procesos industriales

como: polvo de carbón, arena, grafito pulverizado, fibras de madera, pelusas,etc.

El polvo aglutinado por efecto de grasa o humedad puede ser causa de

cortocircuitos y afectar la capacidad refrigerante de la planta. El polvo ataca el

motor diesel, lo que obliga al empleo de filtros en la toma de aire de combustión.

Kh

h

1000 2000 2500 3000

1.00

0.90 0.86

0.80

0.70

Kh : Factor de reducción de potencia por alturah : Altura sobre el nivel del mar (metros)

FIGURA 2.4

Page 33: Estudio de reestructuración de la central de generación y

35

La vida útil de los filtros se ve considerablemente reducida en ambientes

polvorientos.

En general, la mejor solución para un ambiente severo es instalar el grupo

electrógeno lejos del polvo y llevar la energía generada al sitio de trabajo.

De todas formas, la limpieza periódica del grupo electrógeno con aire seco

comprimido (p < 30 PSI) es una práctica recomendable.

LAS ATMOSFERAS EXPLOSIVAS :

Las atmósferas explosivas y los grupos electrógenos sencillamente no son

compatibles.

Acetileno, gasolina, propano, etc; son materiales peligrosos para un sistema de

generación eléctrico.

La solución normal y óptima a un ambiente peligroso es ubicar el grupo

electrógeno lejos de él y transportar la energía eléctrica al sitio por medio de

cables.

LA HUMEDAD :

La humedad es otro enemigo de un grupo electrógeno. El aire húmedo y en

particular el aire salino, la lluvia, el granizo, el rocío, la condensación ocasionada

por cambios de temperatura, el salpique de líquidos, etc, tarde o temprano

originan oxidación y corrosión de las partes metálicas del equipo y al mismo

tiempo afectan el aislamiento del generador y otras partes eléctricas.

La degradación de potencia por humedad del aire se considera como poco

frecuente, a excepción de aquellos casos particulares de uso en ambientes que

presentan constantemente una elevada humedad relativa.

Page 34: Estudio de reestructuración de la central de generación y

36

En general sólo se aplica factores de corrección cuando la humedad relativa es

superior al 60%.

Los motores ven reducida su potencia hasta en un 6% máximo cuando el aire de

admisión para la combustión es bastante húmedo.

La primera solución parcial a este problema se logra encerrando el grupo

electrógeno en un cuarto debidamente techado y protegido, el cual se denomina

CASETA DE PLANTA. Esto sin embargo, sólo es posible realizarlo en forma

apropiada con los grupos electrógenos estacionarios.

Cuando se tienen grupos electrógenos, transportables o móviles, es conveniente

el empleo de un remolque o trailer, el cual imprescindiblemente debe construirse

en techo.

Además de la protección básica del cerramiento, las partes expuestas deben

pintarse o barnizarse con recubrimiento o aislantes adecuados.

La norma NEMA que define las clases de aislamiento para máquinas eléctricas es

de gran aceptación entre los fabricantes. Por lo general, los generadores se

construyen con un aislamiento para sus devanados según clase F(105°C) ó clase

H(125°C) empleando barnices de resina poliestérica, lo que permite su operación

satisfactoria en ambientes húmedos.

La vida útil de un generador dura lo que el aislamiento que protege a los

conductores. Cuando el aislamiento falla, la vida útil de la máquina termina. Sin

embargo, es una práctica corriente efectuar la reparación de la máquina a pesar

de que el costo de reemplazar los embobinados es generalmente más de la mitad

del costo de la misma.

Page 35: Estudio de reestructuración de la central de generación y

37

Veinte años es en principio la duración normal que se espera de un generador de

uso corriente con carcasa a prueba de goteo, operando en una atmósfera limpia y

dentro de su temperatura nominal.

La vida útil de un generador se ve reducida considerablemente por efecto de

incrementar la temperatura en los devanados con respecto al valor nominal

indicado para la clase de aislamiento.

Frecuentemente se usan calentadores eléctricos de ambiente para mantener

secos los elementos eléctricos mientras el sistema no funciona.

2.1.3 Dimensionamiento de un Grupo Electrógeno

El dimensionamiento del grupo electrógeno correcto exige la evaluación de la

carga máxima en kW que el generador tiene que alimentar y la máxima caída

admisible de voltaje.

El análisis de carga es un paso esencial en la selección del generador apropiado

para cualquier aplicación particular.

La información más importante a tener en cuenta en el dimensionamiento de un

grupo electrógeno se indica en la figura 2.3.

Otros factores de importancia son:

• Operación independiente o en paralelo.

• Operación con carga constante o variable.

• Tiempo de operación con la carga.

• Expansiones futuras.

Page 36: Estudio de reestructuración de la central de generación y

38

• Condiciones ambientales y de máximo nivel de ruido aceptable o permitido.

• Sitio de instalación.

DIMENSIONAMIENTO DE UN GRUPO ELECTRÓGENO

Un correcto dimensionamiento debe especificar el motor diesel, el generador y la

protección de dicho generador (el interruptor automático: CBp).

Tanto el motor diesel impulsor como el generador, tienen definida su velocidad

por la frecuencia del voltaje de salida del generador. La relación que existe entre

la frecuencia y la velocidad del generador es:

n= 120f / p

MD G

ACOPLECBp

Carga

H.P KVA/kW: I nominal Vn

n(RPM) STAND BY I térmica Frecuencia PRIME I magnética No de fases CONTINUOUS I sc (KA/V) No de conductores Secuencia de fases COS φ COS φ Vn Secuencia conex. carga No de fases conex. kW/KVA Devanado KVA arranque ∆ Vmax permitido Servicio: Puente primaria Auxiliar

Velocidad (RPM) Excitación (Vex, Iex)

w

FIGURA 2.3

Page 37: Estudio de reestructuración de la central de generación y

39

En esta expresión p es el número de polos del campo excitador del generador, f la

frecuencia del voltaje de salida (en Hz); y n la velocidad (en RPM) a la cual gira el

generador.

Puesto que la frecuencia la impone la carga y debe ser constante (60 Hz

usualmente), y el número de polos del campo del generador queda establecido en

su construcción, resulta evidente que la velocidad del generador debe ser

constante y por consiguiente la del motor diesel impulsor. Para una máquina de 4

polos y una frecuencia de 60 Hz la velocidad de rotación del generador es 1800

RPM.

El acople entre el generador y el motor puede ser:

• Acople directo.

• Acople por banda.

El acople directo establece igualdad de velocidad en el motor y el generador. Es

el acople más utilizado por los fabricantes a pesar de que exige perfecta

alineación para evitar los esfuerzos mecánicos en los rodamientos y la vibración

de la estructura del conjunto motor-generador.

Los generadores se diseñan de uno o dos cojinetes. El generador de un solo

cojinete tiene la parte de atrás apoyada a un cojinete que descansa en el bastidor

del generador. La parte de adelante del rotor va apoyada en el volante del motor.

Esto permite el uso de un acople directo sencillo, y procedimientos simples de

alineación. Tiene la desventaja, que tanto el motor como el generador quedan

imposibilitados de movimiento mientras se encuentra desacoplado el conjunto, lo

que impide la realización de pruebas y ajustes en forma individual.

Page 38: Estudio de reestructuración de la central de generación y

40

En los generadores de dos cojinetes se utiliza el bastidor del generador para

apoyar el rotor totalmente. Para el caso de acople directo, la alineación es crítica.

Tiene la ventaja de que tanto el motor como el generador pueden operarse

separadamente.

El acople por banda es más flexible y permite el funcionamiento del motor y

generador a diferentes velocidades definidas. Sólo es posible con generadores de

dos cojinetes.

En general, la velocidad del motor (n1) es menor o igual a la del generador (n2) ya

que los motores diesel estacionarios no sobrepasan generalmente las 1800 RPM.

La relación de velocidad queda definida por el diámetro de las poleas (D1 y D2)

según la ecuación :

n1/n2 = D2/D1

Donde :

n1 : Velocidad del motor

n2 : Velocidad del generador

En la figura 2.4 se ilustra un acople por banda y se señalan las condiciones que

optimizan el acople.

Page 39: Estudio de reestructuración de la central de generación y

41

ACOPLE POR BANDA

La relación entre la potencia del motor diesel y la del generador es definida por el

coeficiente de cargabilidad del motor (KC) según la expresión :

)(

)(

generadorkVA

motorHPKC =

los valores típicos para Kc oscilan entre 1.2 y 1.6. valores cercanos al mínimo se

escogen para cargas resistivas o moderadamente inductivas que no sean

exigentes en la conexión. Valores cercanos al máximo se escogen para cargas

que demanden grandes corrientes en la conexión, como es el caso de motores.

El primer factor a considerar en el dimensionamiento del grupo electrógeno, es

definir su aplicación, ya sea como fuente primaria o como fuente auxiliar.

MOTORGENERADOR

Banda o correa

Polea 2

Polea 1

D1 n1 n2

d

nc : Velocidad de la correa (Max 20 mts/seg)d : Distancia entre centros (d >4D1)D2/D1 : Relación de diámetros de polea (D1/D2 < 6:1)

nc

FIGURA 2. 4

Page 40: Estudio de reestructuración de la central de generación y

42

En el caso de aplicaciones de energía primaria, se debe preparar una lista de

todas las cargas posibles y cada carga se debe analizar en cuanto a sus

condiciones de estado estacionario y transitorio, especialmente si se trata de

motores.

En el caso de generadores auxiliares primero debe definirse que cargas críticas

hay que alimentar. Las cargas no esenciales deben desconectarse del barraje de

energía auxiliar. Con las cargas críticas en un barraje separado, solo estas

recibirán energía al fallar el suministro de la red y arrancar el generador auxiliar.

Las cargas que son sensibles a caídas de voltaje pueden conectarse a un

generador diferente o en algunos casos pueden enclavarse eléctricamente para

que los equipos críticos no puedan operar mientras arrancan o se conectan los

equipos que ocasionan la caída de voltaje o para que los equipos que provocan la

caída de voltaje no puedan arrancar mientras los equipos críticos funcionan.

La elevación y la temperatura del sitio deben considerarse por su posible efecto

sobre el motor y el generador. Tanto el motor como el generador deben ser

disminuidos en su capacidad nominal cuando la altura y la temperatura exceden

ciertos niveles de diseño. La corrección por humedad es poco frecuente.

Para el análisis de cargas es básico evaluar la carga total conectada y el tipo de

carga. Esto implica la elaboración de una lista de todas las cargas, motores y no

motores que el generador tiene que alimentar. Téngase presente que el motor

eléctrico es la carga más exigente para un grupo electrógeno.

Es de suma importancia evaluar la máxima caída admisible de voltaje, para que

los aparatos como los contactores de línea que conectan los motores no se

desenergicen al arrancar motores grandes. Por esta y otras razones, es

importante que la caída de voltaje de arranque no pase de ciertos valores. Una

Page 41: Estudio de reestructuración de la central de generación y

43

caída del 30% ó 35% es un límite práctico recomendado por los fabricantes

(Cummins, manual de operación y mantenimiento).

Otro factor a considerar son los métodos de arranque de motores que se tienen en

la instalación. El arranque a voltaje reducido ( estrella - delta, auto -

transformador, por resistencias, etc ) es mucho menos exigente que el arranque

directo a pleno voltaje.

La secuencia de arranque también afecta la caída de voltaje. Una buena regla es

que los motores grandes deben arrancarse primero.

También hay que considerar el número de motores u otros aparatos que estén

trabajando al tiempo. Esto define una carga base que en principio simplifica los

cálculos del dimensionamiento.

Debe considerarse también la situación de no simultaneidad de carga para

algunos casos.

Las cargas monofásicas deben conectarse en la fase o fases correctas, ya que la

capacidad del generador se basa en la fase que soporta las cargas mayores. Esta

información se puede obtener de los diagramas de alambrado de la instalación.

El voltaje de una carga monofásica indica si la carga esta conectada entre una

fase y neutro o entre dos fases. Es conveniente que el generador opere sobre una

carga balanceada, donde la corriente del neutro no sobrepase el 20% del valor de

la corriente promedio de línea.

Para prever el crecimiento futuro, y si hay factibilidad económica, una buena regla

general es dejar un 10% de reserva para expansión (Cummins, manual de

operación y mantenimiento).

Page 42: Estudio de reestructuración de la central de generación y

44

PROCEDIMIENTO PARA DIMENSIONAR UN GRUPO ELECTRÓGENO :

Se han desarrollado varios métodos de diseño para el dimensionamiento de un

grupo electrógeno. Los criterios más importantes para su escogencia los define el

tipo de carga y su consumo.

Las características de la carga pueden resumirse si consideramos únicamente dos

tipos básicos de carga para conectar a un generador. Estas son los motores y las

cargas diferentes a motores.

Las cargas diferentes a motores incluyen: cargas de calefacción e iluminación,

computadores, cargas con rectificadores controlados de silicio (SCR) y cargas

especiales. Cada tipo de carga tiene ciertos efectos en la operación del

generador, siendo los más importantes :

• La elevación transitoria de corriente que se presenta al arrancar motores.

• El factor de potencia asociado a la carga.

• La generación de armónicos cuando se conectan cargas reguladas por SCR.

• La realimentación de energía al generador cuando se conectan cargas

degenerativas.

El efecto más crítico y general es sin embargo, la caída de voltaje en el sistema

debida a la fuerte elevación de corriente que deben suministrar los devanados

cuando un motor arranca.

Esta caída se puede reducir :

Page 43: Estudio de reestructuración de la central de generación y

45

• Sobredimensionando el generador.

• Usando arrancadores a voltaje reducido.

• Usando módulos de soporte de corriente para aumentar la corriente de

excitación mientras dura el estado transitorio que origina un arranque.

En los Estados Unidos, la Asociación Nacional de Fabricantes de Equipo Eléctrico

(NEMA) ha establecido normas que cumplen la mayoría de los fabricantes de

motores a nivel mundial.

En Europa, las normas británicas se diferencian muy poco de las normas

americanas para motores.

La NEMA hace la distinción entre motores usando letras de diseño y letras de

código, que se hallan en la placa del motor.

Las letras de diseño indican el par de arranque del motor y tienen poca influencia

sobre los kVA o la corriente de arranque del motor. Las letras más comunes de

diseño son B, C y D. No deben confundirse con las letras de código.

Las letras de código indican los kVA de arranque por caballo de fuerza (SkVA/HP)

y son la referencia más importante al relacionar el generador de un grupo

electrógeno a cargas de motores.

Las letras de código más comunes son F, G y H.

Al arrancar un motor, el factor de potencia es bastante bajo (de 0.3 a 0.5) y luego

se recupera a un valor más alto (aproximadamente 0.9) cuando está en operación

normal.

Page 44: Estudio de reestructuración de la central de generación y

46

Esto es importante porque los kVA, a un factor de potencia bajo, equivale a varias

veces los kW nominales de operación del motor. El motor diesel tratará de

suministrar estos kilovatios, de manera que vale la pena verificar si el motor del

generador tiene la potencia para arrancar un motor eléctrico grande,

particularmente cuando el generador tiene una carga base o inicial.

ANÁLISIS DE CARGA :

El primer paso en el dimensionamiento de un grupo electrógeno es hacer un

análisis de cargas, mediante un cuadro resumen que contenga una lista de todas

las cargas de la instalación incluyendo todos los motores y todas las cargas

diferentes a motores. La información se puede obtener de los planos eléctricos o

de una lista de inventario actualizada.

En el cuadro resumen se debe consignar la siguiente información básica :

• Descripción de la carga.

• Cantidad de aparatos o dispositivos.

• Voltaje.

• Número de fases.

• Potencia de los motores en Hp ó kW.

• Potencia de las cargas diferentes a motores en kW.

• Factor de potencia de la carga.

• Tipo de arranque utilizado para los motores.

Page 45: Estudio de reestructuración de la central de generación y

47

• kVA de arranque para los motores según se conecten directamente a la línea,

o por medio de un arranque a voltaje reducido.

Para llenar el cuadro resumen se debe recurrir a las placas de los motores y de los

demás dispositivos consumidores, o a las especificaciones técnicas y tablas que

se consignan en los manuales de los equipos.

Otros datos de importancia que se deben consignar en la presentación de los

resultados son :

• Nombre del cliente.

• Dirección.

• Nombre del proyecto.

• Altura.

• Temperatura ambiente.

• Humedad relativa.

• Categoría de empleo.

• Caída máxima de voltaje.

• Fecha.

Para los cálculos se recurre a la curva de arranque de motores suministrada en la

hoja de datos del generador. Dicha curva se presenta en las formas que indican

las figuras 2.5 y 2.6.

La curva de la figura 2.5 muestra la manera como varía el voltaje de salida del

generador en función de los kVA demandados. Obsérvese que el generador

mantiene una regulación de voltaje (Rv) dentro de los valores muy aceptables

siempre que el consumo de la carga este por debajo del valor nominal de diseño

(kVAn). Si la demanda en kVA sobrepasa este valor crítico, la pendiente de la

curva aumenta considerablemente indicando que la caída de voltaje en los bornes

Page 46: Estudio de reestructuración de la central de generación y

48

del generador se puede hacer inaceptable para un funcionamiento satisfactorio del

sistema.

VOLTAJE DE SALIDA DEL GENERADOR

∆ Vmax

VERSIÓN MODIFICADA DE LA ANTERIOR

Rv = 0.5% a 2%

Voltaje generador

Vb

Vn

Vmi

kV An kVA Max

kVA demandados

Caída de voltaje∆ V/Vn (%)

60

40

1

0.5 1.0 1.5 2.0 kVAn

kVAdem

FIGURA 2.5

FIGURA 2.6

Page 47: Estudio de reestructuración de la central de generación y

49

La curva de la figura 2.6 es una versión modificada de la curva descrita

anteriormente. En ella se muestra directamente la caída de voltaje en bornes del

generador en función de la cargabilidad del mismo.

Si los kVA demandados son inferiores a los nominales el comportamiento del

generador es satisfactorio. Si son mayores, la regulación de voltaje es pobre y el

funcionamiento del sistema se hace inaceptable.

DIMENSIONAMIENTO DE UN GRUPO ELECTRÓGENO CONSIDERANDO LA

DEMANDA :

El tamaño de un grupo electrógeno se puede determinar también a partir de una

curva de demanda.

Para la medición, se recomienda emplear un vatímetro registrador, conectado

durante varios días, para observar el comportamiento de la demanda y garantizar

un diseño más confiable. Se recomienda, si es posible, la medición simultánea del

factor de potencia y la demanda del sistema en kVA.

Si no se dispone de instrumentos registradores, las lecturas se hacen

manualmente por intervalos de 15 ó 30 minutos. Evidentemente, esto resulta

tedioso pero necesario.

El diseño más confiable se obtiene a partir de curvas que muestran condiciones de

máxima demanda de energía de la instalación.

Las curvas de máxima demanda se deben obtener en el sitio de la instalación que

reúne las cargas que serán conectadas al generador.

Una curva de demanda típica es la que se muestra en la figura 2.7. De ella se

pueden obtener datos importantes para el cálculo como :

Page 48: Estudio de reestructuración de la central de generación y

50

• Demanda máxima (kWMax).

• Duración de la demanda máxima.

• Demanda mínima (kWMin).

• Duración de la demanda mínima.

Es posible analizar la demanda y reprogramar la conexión y desconexión de

consumidores con el fin de lograr la máxima eficiencia en el funcionamiento,

buscando una curva más plana, para evitar o reducir los picos de demanda.

CURVA DE DEMANDA TIPICA

Ciclo repetido

Demanda mínima (kW Min)

kW Base

Demanda(kW) Demanda max

(kW max)

6 am 12 m 6 pm 12 pm

t (h)

FIGURA 2.7

Page 49: Estudio de reestructuración de la central de generación y

51

El método de dimensionamiento de un grupo electrógeno con base en la curva de

demanda se emplea en aquellas grandes o medianas empresas, ya instaladas,

que conectan un gran número y diversidad de consumidores.

En una empresa donde los consumidores (motores o no-motores) se cuentan por

cientos, se hace tedioso elaborar el listado de cargas y mucho más, llenar los

cuadros de carga.

En estas empresas, lo corriente es la situación de simultaneidad de conexión, o de

aparatos que trabajen al tiempo, o de motores que arranquen aleatoriamente sin

secuencia especial.

Para una situación tan complicada como esta, la solución al problema de

dimensionamiento es la curva de demanda.

El procedimiento de cálculo es el siguiente:

1. Se hace un listado de los motores más grandes de la instalación, descartando

el más pequeño entre grupos de dos que no puedan operar simultáneamente.

2. Se determina el consumo en kW de cada motor, de acuerdo con los datos de

placa o mediciones de campo, y se totalizan (kWT).

3. Se obtiene la demanda base en kW de la instalación, la cual se calcula por la

siguiente expresión:

TMaxBase kWkWkW −=

Donde :

kWMax : Es la demanda máxima leída de la curva de demanda.

kWT : Potencia de todos los motores grandes.

Page 50: Estudio de reestructuración de la central de generación y

52

4. Se define si los motores grandes tienen una secuencia de arranque particular o

si el arranque es aleatorio.

5. Se define si existe la posibilidad de arranque simultaneo de dos o más motores

grandes y cuales emplean métodos de arranque a voltaje reducido.

6. Se hace un cuadro de cargas para los motores grandes.

7. Se procede al dimensionamiento con base en la caída de voltaje, tomando la

potencia base calculada y asumiendo una posible secuencia de arranque.

Si no es posible establecer secuencia de arranque debe considerarse la

situación peor, que consiste en dejar el motor más grande para el último

arranque. En este caso, debe pensarse seriamente en la posibilidad de

implementar un arrancador a voltaje reducido, si no lo tiene.

La potencia del generador (kW), que resulta de aplicar este procedimiento, debe

ser como mínimo igual al valor de la demanda máxima en Kilovatios que indica la

curva de demanda, es decir :

MaxkWkW =

Para determinar los kVA del generador se aplica la expresión :

8.0

kWkVA =

Se recomienda medir el factor de potencia durante el tiempo que dura la demanda

máxima. Si el valor es ≥ 0.8, el tamaño del generador (kVA) queda definido por la

expresión anterior. Si es menor de 0.8, lo pertinente es hacer una corrección del

Page 51: Estudio de reestructuración de la central de generación y

53

factor de potencia de la instalación, para evitar el sobre costo que implica la

escogencia de un grupo electrógeno de mayor tamaño.

La duración de la demanda máxima es un dato valioso para la selección del grupo

electrógeno ya que ello puede definir su funcionamiento como "Prime" ó como

"Stand-by".

De la curva de demanda, también se puede deducir si el grupo electrógeno va a

funcionar con carga constante o con carga variable, lo cual es importante para

complementar y definir su categoría de empleo.

Muchos fabricantes suministran a usuarios y futuros clientes, programas de

computador que realizan los cálculos de dimensionamiento aquí anotados. Estos

programas son una ayuda valiosa especialmente cuando los datos y la

información a considerar es voluminosa. Evidentemente, los resultados están

orientados a recomendar un equipo de marca.

2.1.4 Operación en Paralelo de Grupos Electrógenos

Los grupos electrógenos se conectan en paralelo para alimentar carga eléctrica

común. La energía se alimenta a un barraje común a través de interruptores

automáticos (cortocircuitos de línea), que permiten la conexión del generador al

sistema.

La conexión en paralelo proporciona mayor economía, confiabilidad y menor

tiempo fuera de servicio. En algunas aplicaciones puede ser más ventajoso

instalar dos o más grupos pequeños que uno solo de mayor capacidad, por la

flexibilidad y economía que se obtiene al operar solamente las unidades

necesarias que satisfacen la demanda real. Los grupos generadores no

necesarios se pueden apagar para darles servicio de mantenimiento sin afectar

todo el sistema.

Page 52: Estudio de reestructuración de la central de generación y

54

La operación en paralelo se considera satisfactoria cuando los generadores

entregan potencia y corriente en proporción a sus capacidades.

Cuando se conectan muchos generadores en paralelo, la adición o retiro de un

generador individual no tiene efecto apreciable sobre las características de línea y

el análisis del comportamiento del generador se basa en la suposición de que se

conecta a un "barraje infinito"; esto es, a un sistema para el cual el voltaje y la

frecuencia son absolutamente constantes. Esta situación se tiene siempre que un

grupo electrógeno opera en paralelo con la red de distribución comercial o red de

servicio normal, la cual es alimentada por muchos generadores de gran

capacidad.

El contraste con el "barraje infinito", si solo se conectan en paralelo dos

generadores de especificaciones comparables, los cambios en un generador

afectaran las características terminales de ambos y las condiciones internas del

segundo.

La operación de un generador cuando sus características electromagnéticas se

varían, no se puede aislar de la operación de su motor impulsor, denominado

también PRIMOTOR. Todos los primotores poseen características de potencia -

velocidad con tendencia a la caída. Cualquier cambio en la potencia de salida del

generador requiere ser igualado por un cambio en la potencia de salida del

primotor. Así, para mantener la frecuencia constante, un cambio en la potencia

del generador requiere un reajuste (manual o automático) en el dispositivo

regulador de combustible del primotor.

El funcionamiento en paralelo exitoso significa que los generadores entreguen

potencia al sistema externo sin entregarse potencia unos a otros, o aceptar

potencia de la red de energía eléctrica o barra colectora de la carga. Ante una

situación de esta naturaleza la maquina se MOTORIZA, es decir, el generador

invierte su funcionamiento y trata de mover su primotor. Durante la operación en

Page 53: Estudio de reestructuración de la central de generación y

55

paralelo se evita la motorización del generador mediante equipo adicional que

asegura una operación confiable y sin peligros.

Cuando se tiene previsto el funcionamiento en paralelo de un grupo electrógeno

con otros, su inercia se debe seleccionar para que esté en conformidad con los

límites impuestos para las irregularidades cíclicas que pueden presentarse durante

la operación del sistema.

2.1.4.1 Consideraciones Técnicas de la Operación en Paralelo

En un grupo electrógeno, la unidad motriz es la que provee la velocidad y el par

motor necesario para mantener las máquinas funcionando sincronizadamente. La

velocidad controla directamente la carga (kW) y la frecuencia de la unidad.

La velocidad del motor está controlada por un gobernador el cual debe tener

disposiciones especiales para conexión en paralelo y caída de velocidad con la

carga, con el fin de que pueda funcionar en paralelo con otras máquinas

permitiendo la repartición adecuada de la carga.

El regulador de voltaje de salida del generador, y la energía reactiva suministrada

por el generador, cuando éste trabaja en paralelo. Para ello es necesario que el

regulador disponga de un modulo circuital especial (ya sea interna o

externamente) que permita controlar la corriente reactiva que fluye entre los

grupos electrógenos sincronizados.

2.1.4.2 Condiciones de Sincronismo

para efectuar el paralelaje de un generador a una red o a otro generador es

indispensable que se den las condiciones de sincronismo que son :

• Igualdad de secuencia de fases.

Page 54: Estudio de reestructuración de la central de generación y

56

• Igualdad de voltajes.

• Igualdad de frecuencias.

• Igualdad de ángulos de fases (desfase nulo entre voltajes), con el ángulo de

fase del voltaje referido a una base de tiempo común a ambas máquinas o a la

máquina y al sistema.

La condición de igualdad de rotación o secuencia de fases es una condición que

puede comprobarse previamente y, una vez verificada, no existe la posibilidad de

cambio alguno durante la puesta en marcha o el funcionamiento del generador.

Si las secuencias difieren, el intercambio de cualquier dos de las tres líneas del

generador resulta en secuencias idénticas. El intercambio debe hacerse siempre

en las terminales del generador que se va a paralelar y nunca en el barraje del

lado de la carga ya que el cambio de secuencia crearía graves problemas en

muchos tipos de cargas. Para determinar la secuencia de fases se emplea un

instrumento denominado "Indicador de secuencias de fases" o simplemente

"Secuencímetro", el cual se utiliza transitoriamente por una sola vez. Para la

indicación puede emplearse también un motor de inducción trifásico cuyo sentido

de rotación se haya verificado previamente conectándolo a las barras y luego,

utilizando los bornes correspondientes, conectándolo al generador que se debe

paralelar.

La igualdad de voltaje se puede determinar fácilmente mediante las lecturas que

indican los voltímetros del generador y de la red o del otro grupo. La operación de

igualación se consigue reajustando el potencímetro de ajuste de voltaje del

regulador automático de voltaje del generador que se va a paralelar.

La igualdad de frecuencias se determina mediante las lecturas que indican los

frecuencímetros del generador y de la red o del otro. La operación de igualación

Page 55: Estudio de reestructuración de la central de generación y

57

se obtiene reajustando la posición del actuador del gobernador lo cual hace variar

la velocidad del motor y por consiguiente la frecuencia del voltaje generado.

En la figura 2.8 se muestra un circuito de control típico para un servomotor de CD

alimentado por una batería, el cual representa un sistema ampliamente utilizado

por los fabricantes de grupos electrógenos que vienen provistos por gobernadores

hidráulicos disponibles para funcionamiento en paralelo. El servomotor se instala

generalmente en la parte superior del gobernador del motor y se acopla

directamente al dispositivo que dosifica la cantidad de combustible a inyectar en

las cámaras de combustión del motor la cual permite el control de la velocidad.

CIRCUITO TIPICO PARA UN SERVOMOTOR

Mediante la operación del pulsador 1PB el servomotor se conecta a la batería para

un sentido de giro, permitiendo que aumente la velocidad del motor. Con la

operación del pulsador 2PB se conecta la batería al servomotor para un sentido de

M

Servomotor de CD

G Gobernador

Motor diesel

AumentarDisminuir

1PB 2PB

+ V(Batería)

FIGURA 2.8

Page 56: Estudio de reestructuración de la central de generación y

58

giro contrario, lo cual reduce la velocidad del motor llegando incluso a detenerlo

completamente.

Cuando el gobernador utilizado es de tipo eléctrico el ajuste de velocidad es

mucho más simple y no requiere montaje especial; basta extender al tablero de

mando el potenciómetro de ajuste de velocidad disponible en el regulador

electrónico asociado al gobernador.

Con las secuencias, las frecuencias y los voltajes igualados, las posiciones

instantáneas de los rotores de las dos máquinas todavía puede diferir hasta el

grado en que se presente una separación angular constante entre los voltajes

terminales. Como ya se anotó, esta separación no puede ocurrir, y antes de cerrar

el interruptor los ángulos de fase deben ser los mismos. Mediante pulsaciones de

corta duración sobre los interruptores 1PB y 2PB que controlan el servomotor de

CD que varía la velocidad del motor, es posible establecer la condición de

igualdad de fase, la cual es detectada por el sincronoscopio.

2.1.4.3 Gobernadores

Como ya se ha indicado, la potencia y la velocidad de un grupo electrógeno son

controladas por la cantidad de combustible que se inyecta en la cámaras de

combustión del motor. La cantidad de combustible es regulada por el ACTUADOR

del gobernador el cual es un dispositivo diseñado para controlar la velocidad del

motor entre ciertos límites.

El gobernador censa la velocidad del motor (o del generador), la compara con una

velocidad de referencia (ajustable externamente), que es la velocidad deseada, y

realiza los ajustes correspondientes sobre el actuador para mantener la velocidad

de salida igual a la referencia.

Page 57: Estudio de reestructuración de la central de generación y

59

2.1.5 Costos de Generación de Energía con Grupos Electrógenos

El costo de generar electricidad con combustible diesel tiene dos grandes

componentes :

1. Costo del combustible e insumos de mantenimiento periódicos (aceite y filtros).

2. Costo de otros insumos :

• Mano de obra por operación, mantenimiento y reparaciones totales o

parciales.

• Costo de materiales y repuestos.

• Pérdida de vida después de cada reparación general.

Con excepción del combustible, estos costos son prácticamente independientes

de la demanda de energía y por tanto su aporte al costo unitario del kWH es

inversamente proporcional a la demanda que se haga de la máquina. En el

análisis no se incluye el rubro por conceptos financieros, pero es importante dejar

claro aún con este rubro incluido y sin racionamiento, es un magnifico negocio

para los empresarios operar los grupos electrógenos para atender los picos de

demanda máxima operando en paralelo con la red pública.

El esquema tarifario actual en muchas empresas que suministran el servicio

público de electricidad, es el de cobrar la demanda máxima medida en las horas

de tarifa alta; además de que dichas tarifas tienen establecido con frecuencia un

incremento automático mensual.

En general, el costo de autogeneración a nivel industrial es mayor que el costo de

comprar en la franja baja pero menor que el costo de comprar en la franja alta y, si

acompañamos el hecho de que la potencia generada rebaja el factor de demanda,

Page 58: Estudio de reestructuración de la central de generación y

60

vemos que es así como se obtiene el verdadero beneficio y atractivo de

autogenerar. De ahí que sea lucrativo generar en las horas de tarifa alta.

En principio, no debe descartarse la autogeneración independiente o en paralelo

con la red para manejar los picos de demanda máxima para cualquier esquema

tarifario oficial que se tenga, ya que a mediano o largo plazo la operación se hace

rentable.

Estudios sencillos que permiten medir el retorno de una inversión en

autogeneración con grupos electrógenos operando en paralelo con la red pública,

demuestran que para el caso Colombiano por ejemplo, la inversión retorna en un

tercio (1/3) de la primera vida de la máquina, que en tiempo quiere decir unos 5 a

7 años. De ahí en adelante la operación se vuelve rentable.

2.1.6 Mantenimiento de Grupos Electrógenos

El mantenimiento de cualquier equipo requiere una atención esmerada ya que sin

ella nunca podríamos estar seguros de su correcto funcionamiento. Pero, dado

que los grupos electrógenos funcionan, normalmente, como equipos de

emergencia en lugares donde es "imprescindible" el suministro continuo de

energía eléctrica, el mantenimiento preventivo y las pruebas periódicas de

funcionamiento requieren cuidado aún más profundo. Por esto se recomienda el

plan que sigue.

2.1.6.1 Revisiones Periódicas

Estas revisiones se dividen en diarias, semanales, mensuales y anuales.

REVISIONES DIARIAS :

• Comprobación del funcionamiento de los sistemas de calefacción y

precalentamiento.

Page 59: Estudio de reestructuración de la central de generación y

61

• Comprobación del nivel de aceite del Diesel.

• Comprobación del funcionamiento de la bomba de preengranase.

• Comprobación del nivel de agua de los radiadores.

• Nivel de combustible en el depósito nodriza.

• Comprobación del nivel del electrolito de las baterías de continua.

• Comprobación del nivel de carga de las baterías.

Una vez realizadas todas estas comprobaciones, se procederá a rrancar

manualmente el grupo, comprobando el tiempo que tarda desde que se da la

señal hasta que tiene tensión y frecuencias correctas.

Con el grupo funcionando normalmente se comprueba la lectura de los aparatos

de medida.

Es conveniente tener el grupo funcionando durante cinco minutos.

REVISIONES SEMANALES :

Esta revisión se hace coincidir con una diaria.

Realizada antes la revisión diaria, se arranca automáticamente como si de un fallo

la red se tratara. Para ello, basta con abrir el interruptor de red. (Siempre que los

transformadores de tensión detectores de la tensión de Red no estén situados

ante que este interruptor).

Page 60: Estudio de reestructuración de la central de generación y

62

• Se tomará el tiempo que tarda el grupo en alimentar a los consumidores desde

el mismo momento en que cortamos la red.

• Se anotarán, en una tablas preparadas al efecto, los parámetros :

Velocidad

Tensión de bornes

Frecuencia

Intensidad

Temperatura

Presión de aceite

REVISIONES MENSUALES :

Esta revisión se hace coincidir con una diaria y otra semanal.

• Comprobación de funcionamiento de todas las alarmas. Verificar si las

conexiones desde el detector están bien, así como su actuación en el cuadro

de alarmas y en la parada del grupo.

• Comprobación y ajuste de la tornillería, tanto en el grupo como en los armarios

de control.

• Limpieza de escobillas y colectores de anillos y delgas de generador y dínamo.

• Comprobación de los reguladores de velocidad, verificando que mantienen las

constantes dadas en origen.

• Limpieza exterior de los grupos.

• Si el número de horas de funcionamiento así lo requiere, realizar engrases a

los rodamientos

Page 61: Estudio de reestructuración de la central de generación y

63

2.1.6.2 Cuidados y Consideraciones en los Equipos

Además de las revisiones periódicas, es importante realizar otros cuidados en los

grupos electrógenos, que se detallarán a continuación de forma independiente

para cada equipo.

Cuidados de los Generadores :

Muchas veces, los generadores están situados en locales fríos, por lo que se

hace necesario que dispongan de resistencias de calentamiento para mantenerlos

a la temperatura adecuada. También se utilizan resistencias en los generadores

de lata tensión, ya que de esta forma se evitan humendades y pérdidas de

aislamiento.

Los rodamiento deben engrasarse cada 2000 horas de funcionamiento.

Es importante mantener libres de suciedades las vías de ventilación de las

máquinas, sobre todo en lugares polvorientos.

Cuidados de los Motores Diesel :

Es conveniente, al menos una vez al año, quitar los fangos que se producen en el

fondo de los tanque de combustible.

La corona dentada del motor de arranque ha de engrasarse cada 120 horas de

funcionamiento o una vez al año.

El cambio de aceite se efectuará, a ser posible, con el motor caliente, una vez al

año o cada 120 horas de funcionamiento.

Page 62: Estudio de reestructuración de la central de generación y

64

En motores refrigerados por aire, es conveniente limpiar las aletas de

refrigeración, sobre todo si los motores están instalados en lugares polvorientos.

Dependiendo del número de horas de funcionamiento, hay que cambiar el agua

del radiador, limpiándolo antes con algún desincrustante.

También hay que limpiar el tamiz de la bomba de alimentación con una frecuencia

que dependerá de la pureza del combustible.

El juego de válvulas hay que revisarlo cada 600 horas de funcionamiento.

Conviene también revisar las toberas de inyección y comprobar el tensado de la

correa de transmisión trapezoidal de la dínamo y ventilador.

Cuidados de las Baterías :

Las baterías son uno de los elementos más importantes en un sistema automático

de emergencia por grupos electrógenos. Esta importancia se debe a que en el

momento que se corta la corriente de red es la única energía de que disponemos

para arrancar el grupo electrógeno.

Prácticas periódicas de mantenimiento y control de baterías :

1. Semanalmente :

• Leer y anotar el voltaje total de la batería.

• En las baterías de flotación, ajustar el voltaje de flotación si no hubiese

conservado su valor correcto.

Page 63: Estudio de reestructuración de la central de generación y

65

• Leer y anotar la densidad y la temperatura de varios elementos tomados como

pilotos, que se irán rotando cada semana, de forma que se controle toda la

batería en un período de tiempo de 6 a 12 meses.

• Si la densidad media de los pilotos difiere 10 milésimas o más con la

correspondiente al estado de plena carga, dar una carga completa a la batería.

• Las densidades de los distintos elementos deben ser razonablemente

análogas. Si la de algunos difiriese en 10 o más milésimas con la densidad

media de toda la batería, se dará una carga de igualación.

2. Mensualmente :

• Comprobar el nivel del electrolito en cada uno de los elementos.

• Añadir agua purificada en aquéllos cuyo nivel esté por debajo del admisible.

Anotar la cantidad de agua añadida.

• Leer y anotar la densidad de todos los elementos de la batería así como la

temperatura de los elementos pilotos.

• Leer y anotar el voltaje de cada elemento. En las baterías de flotación, el

cargador estará conectado y ajustado a la tensión de flotación.

3. Anualmente :

Dar una carga de igualación si no se ha dado ninguna en todo el año.

Page 64: Estudio de reestructuración de la central de generación y

66

2.2 REDES DE DISTRIBUCIÓN

2.2.1 Introducción a los Sistemas de Distribución

Los sistemas de distribución tienen como función suministrar a los consumidores

la energía eléctrica producida por las plantas generadoras.

Un sistema de distribución comprende los alimentadores primarios que parten de

la subestaciones de distribución, los transformadores de distribución para reducir

la tensión al valor de utilización por los clientes y los circuitos secundarios hasta la

entrada de la instalación del consumidor.

Los alimentadores primarios son trifásicos, de tres o de cuatro hilos; las

derivaciones de la alimentación troncal pueden ser trifásicos o monofásicos. Las

tensiones entre hilos varían según los sistemas de distribución de tensiones de la

clase 2.5 kV a 35 kV. Las tensiones más bajas corresponden a instalaciones

antiguas. En Colombia las tensiones de distribución primaria más utilizadas son

13.2 kV y 34.5 kV.

2.2.2 Condiciones a Satisfacer por un Sistema de Distribución

CONTINUIDAD

El objeto principal consiste en suministrar sin interrupciones la energía a los

consumidores aún en presencia de fallas o averías en el sistema. A mayor o

menor continuidad del servicio determina la categoría de los consumidores.

Existen áreas de consumo donde la continuidad del servicio es indispensable

(centros hospitalarios, servicios públicos de transporte, zonas industriales, etc).

Para satisfacer esta condición se deben considerar los siguientes elementos en el

diseño:

Page 65: Estudio de reestructuración de la central de generación y

67

• Una protección adecuada que opere rápidamente y elimine de inmediato el

elemento que sufra daño o avería.

• Disponer de circuitos de alimentación de emergencia.

• Reducir al mínimo los tiempos de interrupción con medios de restablecimiento

del servicio en forma rápida.

• Escoger un buen arreglo de redes (topología).

• Disponer plantas de emergencia en las edificaciones donde no puede fallar el

fluido eléctrico.

SEGURIDAD

Es absolutamente indispensable que la red de distribución no presente peligro

alguno para las personas ni para los aparatos que va a alimentar.

RAPIDEZ

Es necesario que las maniobras a efectuar en el sistema por cualquier razón sean

de fácil y rápida ejecución.

FLEXIBILIDAD

Consiste en la posibilidad de hacer fácilmente cambios rápidos en la topología del

sistema para atender estados de emergencia temporales.

Page 66: Estudio de reestructuración de la central de generación y

68

POSIBILIDAD DE AMPLIACIÓN

El diseño de una red de distribución debe tener en cuenta el crecimiento de la

población y por consiguiente el crecimiento de la demanda y tomar medidas que

nos permitan mantener la capacidad de las redes de ejecutar modificaciones o

ampliaciones de carácter definitivo.

ECONOMIA

Es una de las condiciones imperativas a satisfacer, tanto en los gastos de

explotación como en las inversiones iniciales, estableciendo un equilibrio técnico y

económico, a fin de prestar un servicio con tarifas razonables para los usuarios y

rentables para la empresa electrificadora encargada de la zona.

RESISTENCIA MECANICA

El conjunto estructural debe ser lo suficientemente sólido para que brinde mayor

seguridad en el servicio, construido con materiales de muy buena calidad,

resistentes a cualquier tipo de contingencia y que no atenté contra la integridad

física de las personas.

CALENTAMIENTO

Mediante el uso de conductores correctamente dimensionados, se puede evitar

que las sobrecargas permanentes originen calentamientos excesivos que

deterioren el aislamiento de los conductores, cambien sus propiedades y

disminuya la calidad del servicio y provoquen fallas y daños graves.

Page 67: Estudio de reestructuración de la central de generación y

69

REGULACION DE TENSION

Debido a un mal diseño o a un sistema obsoleto, la caída de tensión provocada

por sobrecargas temporales o permanentes hacen que el servicio sea deficiente y

el voltaje entregado al usuario sea muy inferior al exigido y cause trastornos

graves. En cualquiera de las áreas de utilización de la energía eléctrica, los

aparatos y máquinas están diseñados para operar a una tensión determinada y su

funcionamiento es correcto mientras la tensión no varíe en forma considerable por

lo que se fijan limites de variación en porcentajes con respecto a la tensión

nominal de operación de los aparatos.

CONTROL DE FRECUENCIA

La frecuencia generalmente se controla en las plantas generadoras y se especifica

con una tolerancia arriba y abajo de la frecuencia nominal (60 Hz) .

2.2.3 Tipos de Sistemas de Distribución

2.2.3.1 Sistemas Radiales Aéreos

Los sistemas de distribución radiales aéreos se usan generalmente en las zonas

suburbanas y en las zonas rurales.

Los alimentadores primarios que parten de la subestación de distribución están

constituidos por líneas aéreas sobre postes y alimentan los transformadores de

distribución, que están también montados sobre postes. En regiones rurales, en

las que la densidad de carga es baja, se utiliza el sistema radial puro. En regiones

suburbanas, con mayor densidad de carga, los alimentadores primarios que parten

de la misma subestación o de subestaciones diferentes, tienen puntos de

interconexión. En servicio normal estos puntos de interconexión están abiertos; en

Page 68: Estudio de reestructuración de la central de generación y

70

condiciones de emergencia permiten pasar parte de la carga de un alimentador a

otro.

Los circuitos secundarios conectan el secundario de cada transformador de

distribución a los servicios alimentados por ese transformador siguiendo también

una disposición radial, aunque en algunos casos se interconectan los secundarios

de transformadores adyacentes.

Para la alimentación primaria radial se utilizan dos sistemas que son el trifásico de

tres hilos y trifásico de cuatro hilos.

• Sistema primario trifásico de tres hilos : En este sistema, del cual se muestra el

diagrama unifilar en la figura 2.9, la alimentación troncal del alimentador

primario está constituida por un circuito trifásico de tres hilos; los ramales

pueden ser también trifásicos de tres hilos y alimentar transformadores de

distribución trifásicos, o bien estar constituidos por dos conductores de fase

que alimentan transformadores de distribución monofásicos.

Page 69: Estudio de reestructuración de la central de generación y

71

SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN RADIAL CON ALIMENTADORES TRIFASICOS DE TRES HILOS

FIGURA 2.9

Page 70: Estudio de reestructuración de la central de generación y

72

SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN RADIAL CON ALIMENTADORES PRIMARIOS TRIFASICOS DE

CUATRO HILOS

FIGURA 2.10

Page 71: Estudio de reestructuración de la central de generación y

73

• Sistema primario trifásico de cuatro hilos : En este sistema, cuyo diagrama

trifilar se muestra en la figura 2.10, la alimentación que sale de la subestación

consiste en una alimentación trifásica formada por tres conductores de fase y

un conductor neutro. La mayor parte del alimentador primario consiste en un

circuito monofásico formado por un conductor de fase y un conductor neutro.

Para que este sistema funcione correctamente el neutro debe quedar

conectado a tierra en forma efectiva, lo que requiere hacer una conexión a

tierra del neutro en cada poste. Si por algún motivo el neutro se desconectase

a tierra, o la impedancia de conexión a tierra fuese muy alta, el sistema se

transformaría en estrella sin neutro a tierra, lo que podría dar lugar a

elevaciones peligrosas de la tensión y a corrientes excesivas, provocadas por

el desplazamiento del neutro con cargas desequilibradas.

En este sistema de cuatro hilos, las cargas trifásicas se toman entre los tres

conductores de fase y las cargas monofásicas pueden tomarse entre dos

conductores de fase o entre un conductor de fase y el neutro. Sin embargo su

aplicación principal ha sido como sistema de distribución monofásico, para

zonas rurales de densidad de carga baja.

• Conexión de los alimentadores primarios en anillos : En zonas de densidad de

carga elevada, se pude recurrir, para mejorar la continuidad del servicio, a

interconectar los extremos de los alimentadores primarios que salen de una

misma subestación mediante un interruptor, como se muestra en la figura 2.11.

Este arreglo puede operarse de las siguientes dos maneras:

Operación con el interruptor de amarre normalmente abierto, en cuyo caso los

dos alimentadores radiales; en caso de una falla en un alimentador, abre el

interruptor correspondiente de la subestación y después de desconectar la

zona afectada por la falla puede cerrarse el interruptor de amarre para tomar

parte de la carga del alimentador afectado por la falla.

Page 72: Estudio de reestructuración de la central de generación y

74

CONEXIÓN DE DOS ALIMENTADORES PRIMARIOS PARA

FORMAR UN ANILLO

Operación con el interruptor de amarre normalmente cerrado en cuyo caso

opera como anillo; la carga total se divide entre los dos alimentadores y se

obtiene una mejor regulación del voltaje y se reducen las pérdidas. Una falla

en un punto del anillo provoca la apertura del interruptor de amarre el cual abre

instantáneamente, separando los dos alimentadores y después abre el

interruptor de la subestación correspondiente al alimentador afectado por la

falla.

Subestación

Interruptor de amarre

FIGURA 2.11

Page 73: Estudio de reestructuración de la central de generación y

75

Por lo que hace a los circuitos secundarios de los sistemas radiales, existen

dos tipos principales: trifásicos de cuatro hilos y monofásicos de tres hilos. Se

emplean también, aunque menos frecuente, circuitos trifásicos de tres hilos

para alimentar cargas industriales.

• Sistema secundario trifásico de cuatro hilos : Este tipo de circuitos secundarios,

se alimentan desde el circuito primario mediante transformadores de

distribución trifásicos con conexión delta en el lado de alta tensión y conexión

estrella con neutro a tierra en el lado de baja tensión, como se muestra en la

figura 2.12.

SISTEMA SECUNDARIO TRIFASICO DE CUATRO HILOS

FIGURA 2.12

Page 74: Estudio de reestructuración de la central de generación y

76

SISTEMAS SECUNDARIOS MONOFÁSICOS DE TRES HILOS

Las cargas trifásicas se alimentan de los tres conductores de fase; las cargas

monofásicas pueden alimentarse de una fase y el neutro, a la tensión Vn o de dos

fases, a la tensión √3 Vn.

• Sistema secundario monofásico de tres hilos : Este sistema se alimenta desde

el circuito primario mediante transformadores de distribución monofásicos.

FIGURA 2.13

Page 75: Estudio de reestructuración de la central de generación y

77

La figura 2.13a representa el caso de un sistema alimentado desde dos fases de

un alimentador primario de tres hilos y la figura 2.13b el de un sistema alimentado

de una fase y el neutro de un alimentador primario de cuatro hilos.

En este sistema las cargas monofásicas pueden alimentarse de un hilo de fase y

el neutro, a la tensión Vn o de dos hilos de fase, a la tensión 2 Vn.

Con este sistema puede servirse ocasionalmente una carga trifásica mediante dos

transformadores monofásicos conectados en delta abierta en el secundario, como

se indica en la figura 2.14, resultando una tensión entre fases de 2 Vn. Sin

embargo esa conexión puede dar lugar a desequilibrios importantes de las

tensiones.

ALIMENTACIÓN OCASIONAL DE CARGAS TRIFASICAS EN ZONAS DE ALIMENTACION

MONOFASICA

FIGURA 2.14

Page 76: Estudio de reestructuración de la central de generación y

78

2.2.3.2 Sistemas Radiales Subterráneos

Los sistemas de distribución radiales subterráneos se usan en zonas urbanas de

densidad de carga media y alta.

Los sistemas de distribución subterráneos están menos expuestos a fallas que los

aéreos, pero cuando se produce una falla es más difícil de localizar y su

reparación lleva más tiempo. Por esta razón, para evitar interrupciones

prolongadas y proporcionar flexibilidad a la operación, en el caso de los sistemas

radiales subterráneos se instalan seccionadores para permitir pasar la carga de un

alimentador primario a otro. También se instalan seccionadores para poder

conectar los circuitos secundarios, para que en caso de falla o de desconexión de

un transformador, se pueda conectar sus circuitos secundarios a un transformador

contiguo.

En la figura 2.15 se muestra el diagrama unifilar de un sistema subterráneo.

Actualmente existe la tendencia de realizar la distribución eléctrica de zonas

residenciales suburbanas mediante instalaciones subterráneas. Generalmente los

alimentadores primarios consisten en cables subterráneos dispuestos formando un

anillo, que funciona normalmente abierto, conectados a un alimentador aéreo

próximo. En la figura 2.16 se muestra el diagrama unifilar de una instalación de

este tipo.

2.2.3.3 Sistema de Red Automática Secundaria

Este sistema de distribución se utiliza en zonas urbanas de gran densidad de

carga y proporciona un grado de continuidad de servicio muy elevado. Las

instalaciones son subterráneas.

Page 77: Estudio de reestructuración de la central de generación y

79

SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN RADIAL SUBTERRANEO

FIGURA 2.15

Page 78: Estudio de reestructuración de la central de generación y

80

SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN EN ANILLO NORMALMENTE ABIERTO

PARA ZONAS RESIDENCIALES SUBURBANAS

FIGURA 2.16

Page 79: Estudio de reestructuración de la central de generación y

81

Como se muestra en la figura 2.17, la red secundaria está constituida por

alimentadores secundarios, trifásicos de cuatro hilos, interconectados formando

una malla, siguiendo el trazado de la calles de la zona urbana a la que suministra

la energía eléctrica y de la que se derivan los servicios a los consumidores.

La red secundaria se alimenta por varios alimentadores primarios, trifásicos

radiales, procedentes de una misma subestación, a través de transformadores de

distribución trifásicos, conectados del lado de baja tensión a los nudos de la red

secundaria. Estos transformadores están conectados al alimentador primario

correspondiente por unas simples cuchillas desconectadoras y a la red secundaria

por un protector de red, que es un interruptor en aire operado automáticamente

por un relevador principal direccional y un relevador auxiliar de fase, que tiene

como función abrir el protector de red cuando la potencia eléctrica fluye de la red

secundaria hacia el alimentador primario y cerrar el protector cuando el voltaje en

las terminales secundarias del transformador es mayor que el voltaje de la red

secundaria y ambos están aproximadamente en fase, de manera que al cerrar el

protector la potencia eléctrica circulará del alimentador primario a la red

secundaria.

Cuando ocurre una falla de aislamiento en un alimentador primario, la protección

automática de dicho alimentador hace abrir el interruptor correspondiente a la

subestación. La falla es alimentada también desde la red secundaria, lo que

provoca la apertura de los protectores de red de los transformadores conectados

al alimentador primario afectado por la falla. Para restablecer el servicio una vez

que la falla ha sido eliminada, basta con cerrar el interruptor de la subestación lo

que provoca el cierre automático de los protectores de red. La red automática se

diseña de manera que pueda funcionar satisfactoriamente con un alimentador

primario fuera de servicio.

Page 80: Estudio de reestructuración de la central de generación y

82

SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE RED AUTOMÁTICA SECUNDARIA

FIGURA 2.17

Page 81: Estudio de reestructuración de la central de generación y

83

El protector de red incluye fusibles cuya función es proteger contra fallas en el

mismo protector o servir como protección de respaldo para fallas en el

transformador o en los alimentadores primarios y la red secundaria.

La mayoría de las redes secundarias están diseñadas de manera que una falla en

la red secundaria se elimine sin necesidad de que opere ninguna protección, al

quemarse el cable en el punto de falla.

En redes automáticas secundarias con voltajes más altos que los antes

mencionados el procedimiento de auto-extinción de fallas no es siempre seguro.

En estos casos se recurre a realizar la protección mediante limitadores, que son

piezas de cobre de menor sección que los alimentadores secundarios, que se

instalan en serie con éstos cerca de los puntos de unión de la red y que, cuando

hay una sobrecorriente de suficiente magnitud, se funden antes de que se dañe el

cable.

En caso de cargas concentradas de gran magnitud, que pueden afectar el buen

funcionamiento de una red automática secundaria convencional, puede recurrirse

a un arreglo como el mostrado en la figura 2.18.

RED AUTOMATICA SECUNDARIA PARA CARGAS CONCENTRADAS

FIGURA 2.18

Page 82: Estudio de reestructuración de la central de generación y

84

3. CARACTERIZACIÓN DE LA DEMANDA

La caracterización de la demanda de energía y potencia tiene varios componentes

que deben ser analizados y definidos de tal forma que las medidas que se tomen

reflejen lo mejor posible las necesidades actuales y en el mediano plazo de los

usuarios.

A continuación, se hará una descripción de los diferentes componentes que se

han definido a lo largo del estudio como necesarios para la caracterización de la

demanda, la metodología de cálculo de cada uno de estos se hará en función de

la información que se ha logrado recopilar y que se considera es adsequible por

todas las personas. Posteriormente se presenta la aplicación de estas

metodologías a la situación actual de la población en estudio.

La metodología definida parte de la identificación del número de habitantes del

municipio, determinación del número de personas por vivienda con el fin de

obtener el número potencial de usuarios a atender.

Por otra parte las características de las viviendas en el municipio permiten

encontrar un patrón de consumo que en promedio se ajusta a las necesidades

básicas de la población y que se han denominado consumo por usuario.

3.1 Metodología para la Proyección de la Población

La metodología que se adopte para la proyección de los habitantes del municipio

deberá basarse en información existente y confiable; y deberá acomodarse a las

dificultades propias de las zonas no interconectadas como son su tamaño y la

dificultad de acceso entre otros. Por tanto, se considera conveniente utilizar la

información de los censos realizados en los años de 1973, 1985 y 1993 (cabecera

Page 83: Estudio de reestructuración de la central de generación y

85

y rural) mediante una técnica de regresiones determinar la curva que más se

acomode a los datos y extrapolar para el período de análisis.

La evolución de la población ha sido asimilada a diferentes curvas: exponencial,

logística, polinomios de distintos grados, etc. Todas estas curvas pueden describir

en un momento dado muy bien el comportamiento de una población, pero esto no

significa que en el futuro lo hagan. Sin embargo, para realizar las proyecciones de

población de áreas menores a corto y mediano plazo, con las limitaciones de

tiempo y desagregación de la información disponible, estos métodos pueden

arrojar en general, resultados bastante aproximados.

3.1.1 Aplicación de la Metodología a la Situación Actual

Para este trabajo se adoptó la función logística que tiene forma de s alargada, con

dos asíntotas; una inferior y otra superior; y describe dos zonas a saber, una

primera zona donde la población crece aceleradamente hasta llegar a un máximo

y una segunda zona de saturación donde la tasa de crecimiento de la población

decrece hasta llegar a cero.

Matemáticamente esta función se puede escribir como:

Pt = K / (1+ea+bt)

Donde:

Pt : Población en el momento t

t : Período de tiempo

K : Asíntota superior

a y b : Constantes

Como se puede apreciar, la población está expresada fundamentalmente como un

cociente, donde el numerador es la asíntota superior y el denominador es una

Page 84: Estudio de reestructuración de la central de generación y

86

función que se va volviendo cada vez más pequeña, acercándose a la unidad,

haciendo tender el cociente al valor de K.

Para aplicar esta metodología, se requiere contar al menos con la población en

tres momentos en el tiempo.

Para el municipio de Puerto Inírida se determinaron regresiones tanto para la

población total del municipio como para la cabecera municipal o la parte rural,

dependiendo de cual de las dos es creciente.

3.1.2 Resultados

En la tabla 3.1 se presenta el resumen de los resultados obtenidos de la

proyección de población para el municipio en estudio para los años 2001 – 2020,

utilizando la metodología descrita en la sección anterior.

3.2 Determinación del Número de Habitantes por Usuario y por Vivienda

Los datos usados para la evaluación del número de personas por usuario son los

siguientes:

ICEL – Evaluación del Programa de Expansión de las áreas no interconectadas –

Diciembre de 1994.

El Icel presentó una estimación del número de personas por usuario basado en

encuestas propias de las zonas de la Orinoquía y Amazonía y de cartillas propias

emitidas en años anteriores, considerando como seis el número de personas

promedio por vivienda o usuario final.

DANE – Censo 1994 – Número de personas y Número de familias por vivienda.

Page 85: Estudio de reestructuración de la central de generación y

87

Los registros presentados por el DANE según el censo de 1993 para la ciudad de

Puerto Inirida es de 3.93 personas por vivienda.

La estimación del número de personas y el número de familias por vivienda de una

zona, debe ser el resultado de una encuesta censal actualizada de la población

incluido el número de viviendas, número de familias por vivienda, número de

personas por familia y datos que permiten estratificar el consumo y la capacidad

de pago y evaluación del crecimiento de la población para un período futuro,

considerando la vida útil de la solución propuesta, según las características de

crecimiento anual de población obtenida de censos del DANE o propios, el nivel

de vida social y los proyectos de desarrollo de la zona en estudio.

Ante la circunstancia de no poderse efectuar el anterior procedimiento, este podrá

modificarse de acuerdo con la experiencia del IPSE y obtener los datos del

número de personas por vivienda y el número de personas por usuario para

cuantificar los usuarios potenciales y por tanto, la demanda de potencia de diseño

y futura para la población en estudio estimada para un lapso de 20 años, previsible

para equipos diesel .

Para el desarrollo de este estudio sin la realización de una encuesta minuciosa

para las poblaciones, con los datos presentados y una comparación entre los

datos mostrados se sugieren lo siguiente:

Número de personas por usuario = 4

Número de familias por vivienda = 1

3. 2.2 Resultados

Con la proyección de población realizada y con el número de habitantes por

vivienda estimada, en la tabla 3.2 se presentan los resultados del número de

usuarios potenciales para el municipio de Puerto Inírida.

Page 86: Estudio de reestructuración de la central de generación y

88

3.3 Metodología Para la Proyección de la Demanda

Una vez definido el crecimiento de la población y el número de habitantes por

usuario se puede realizar la proyección de la demanda de potencia y energía,

como lo indican las siguientes ecuaciones:

PEn = Po [ (1+R)(1+S)]n

Donde:

n : Año de proyección

PEn : Demanda de potencia en el año n

Po : Demanda de potencia en el año cero

R : Tasa de crecimiento vegetativo de la demanda de potencia

S : Tasa de crecimiento poblacional

Por otro lado para el cálculo de la demanda de energía será:

DEn = Po [ (1+R)(1+S)]n Fc * t

Donde :

n : Año de proyección

PEn : Demanda de potencia en el año n

Po : Demanda de potencia en el año cero

R : Tasa de crecimiento vegetativo de la demanda de potencia

S : Tasa de crecimiento poblacional

Fc : Factor de carga

t : 8760 horas de servicio

Page 87: Estudio de reestructuración de la central de generación y

89

3.3.1 Resultados

Con base en la metodología descrita, en las tablas 3.3 y 3.4 se presentan los

resultados obtenidos de la proyección de demanda de potencia y energía

realizados en el municipio. La proyección de demanda se realizó teniendo en

cuenta el uso racional de energía ya que en estos lugares existe la posibilidad de

utilizar energías alternativas.

Los datos utilizados para la proyección de demanda son los siguientes:

Número de habitantes por usuario: 4 (ver numeral 3.2)

Demanda de potencia pico en kW : 1800 (según curva de generación diaria

estimada en Puerto Inírida, figura 4.2).

Tasa de Crecimiento Vegetativa : 1%

Tasa de Crecimiento Poblacional : 1.19% (dato suministrado por el DANE, Censo

de 1993, para la zona del Guainía).

Factor de carga : 0.446

Donde el factor de carga es:

kVApico

okVApromediaFc =arg

Según la curva de generación diaria de Puerto inírida (figura 4.2) tenemos:

802.8 kW promedio = 1003.5 kVA promedio

1800 kW pico = 2250 kVA pico

446.02250

5.1003arg ==

kVA

kVAaFc

Page 88: Estudio de reestructuración de la central de generación y

90

AÑO CABECERA RURAL TOTAL1973 3387 5228 86151985 3758 6454 102121993 3981 7364 113452000 6560 8212 147722001 6596 8336 149322002 6632 8462 150942003 6669 8590 152582004 6706 8719 154252005 6742 8851 155932006 6779 8985 157642007 6817 9120 159372008 6854 9258 161122009 6892 9398 162902010 6930 9540 164702011 6968 9684 166522012 7006 9830 168362013 7045 9978 170232014 7084 10129 172132015 7123 10282 174052016 7162 10437 175992017 7201 10595 177962018 7241 10755 179962019 7281 10917 181982020 7321 11082 18403

TABLA 3.1 PROYECCIÓN DE POBLACIÓNPUERTO INIRIDA

2001-2020

Page 89: Estudio de reestructuración de la central de generación y

91

AÑO CABECERA RURAL TOTAL1973 803 1239 20421985 890 1529 24191993 943 1745 26882000 1640 2053 36932001 1665 2084 37492002 1690 2115 38052003 1715 2147 38632004 1741 2180 39212005 1768 2213 39802006 1794 2246 40402007 1821 2280 41012008 1849 2315 41632009 1877 2349 42262010 1905 2385 42902011 1934 2421 43552012 1963 2458 44212013 1993 2495 44872014 2023 2532 45552015 2053 2571 46242016 2084 2609 46942017 2116 2649 47652018 2148 2689 48372019 2180 2729 49102020 2213 2771 4984

TABLA 3.2 PROYECCIÓN DE USUARIOSPUERTO INÍRIDA

2001-2020

Page 90: Estudio de reestructuración de la central de generación y

92

AÑO POTENCIA (kW)2000 1800,002001 1852,542002 1906,622003 1962,272004 2019,552005 2078,502006 2139,172007 2201,622008 2265,882009 2332,022010 2400,092011 2470,152012 2542,262013 2616,462014 2692,842015 2771,442016 2852,342017 2935,602018 3021,292019 3109,482020 3200,25

TABLA 3.3 PROYECCION ANUAL DE DEMANDA DE POTENCIA(kW)

PUERTO INÍRIDA2001-2020

Page 91: Estudio de reestructuración de la central de generación y

93

AÑO ENERGÍA (kWh)/año2000 69379202001 71404382002 73488672003 75633812004 77841562005 80113752006 82452272007 84859062008 87336092009 89885432010 92509192011 95209532012 97988702013 100848992014 103792772015 106822482016 109940632017 113149792018 116452642019 119851892020 12335037

TABLA 3.4 PROYECCIÓN DE DEMANDA DE ENERGÍA (kWh)PUERTO INIRIDA

2001-2020

Page 92: Estudio de reestructuración de la central de generación y

94

4. DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS DE GENERACIÓN

4.1 OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA ACTUAL.

4.1.1 Generalidades

El esquema básico de generación en la ciudad de Puerto Inírida está constituido

por cuatro grupos electrógenos y una configuración de barra sencilla como se

muestra en la figura 4.1. La central generadora alimenta tres circuitos que tienen

una potencia instalada de 1982.5 kVA , 847.5 kVA y 960 kVA tal como aparece en

el diagrama unifilar.

DIAGRAMA UNIFILAR SITUACION ACTUAL PUERTO INIRIDA

Figura 4.1

Para el mes de agosto del año 2000, solamente estaban en servicio las dos

unidades Cummins, puesto que los grupos electrógenos restantes marca Issotta

presentaban daños que les impedían su funcionamiento. A pesar de esta

situación, los grupos que están operando en este momento tienen la capacidad de

Page 93: Estudio de reestructuración de la central de generación y

95

atender en un cien por ciento la demanda de energía de la ciudad. Recordemos

que las unidades marca Cummins son de potencia Prime de 1250kW, o sea que

se deben de trabajar al 70% o máximo al 80% de su potencia nominal,

recomendación que es atendida por los operadores del sistema generador.

De acuerdo a las mediciones efectuadas por el grupo técnico de generación de la

central, se encontró que la carga diaria típica en el municipio es la representada

en la figura 4.2, en donde se analizan los registros más altos y los más bajos para

finalmente obtener una curva promedio. Esta curva es elaborada de acuerdo a los

registros de las planillas de cada circuito en condiciones óptimas de generación, o

sea, cuando la central opera sin racionamiento de ninguna clase.

A pesar de estar el sistema de generación en capacidad de atender toda la carga

de la ciudad, en las horas pico se presenta un racionamiento de aproximadamente

300 kW, lo que equivale al 16.6% de la potencia pico diaria. Aunado a este

racionamiento también debemos mencionar, que el servicio se presta en la

actualidad solamente 10 horas al día, teniendo en cuenta que hasta hace pocos

meses se prestaba el servicio 18 horas al día tal como aparece en la curva típica

de generación de la ciudad. Esta situación obedece a la falta de combustible

debido a la escasez de recursos de la empresa encargada de suministrar energía

en la ciudad, problemática que abarca a todas las empresas no interconectadas al

sistema y que son subsidiadas por el estado.

Page 94: Estudio de reestructuración de la central de generación y

96

GENERACIÓN DIARIA ESTIMADA EN PUERTO INÍRIDA

0200400600800

100012001400160018002000

0:30

1:30

2:30

3:30

4:30

5:30

6:30

7:30

8:30

9:30

10:3

011

:3012

:3013

:3014

:3015

:3016

:3017

:3018

:3019

:3020

:3021

:3022

:3023

:30

HORAS

KIL

OV

AT

IOS

Promedio Envolvente Superior Envolvente Inferior

FUENTE: EMPRESA DE ENERGÍA DEL GUAINÍA LA CEIBA S.A. E.S.P.

FIGURA 4.2

Sin embargo nuestra mayor preocupación radica en que no existen unidades de

respaldo y en el momento en que salga de servicio uno o ambos grupos de los

que se encuentran en funcionamiento (las dos máquinas Cummins), la población

se encontrará ante la difícil situación de tener que soportar racionamientos

supremamente severos, o peor aún carecer del servicio de energía durante el

tiempo que tarden los operadores en superar la emergencia, causando así

pérdidas significativas a todos los renglones de la economía de la ciudad y del

departamento en general.

Además, el esquema de generación actual no permite suministrar el servicio de

energía eléctrica de modo continuo, o sea 24 horas diarias, por el hecho de tener

que alimentar cada circuito existente de modo individual. Esto quiere decir que en

Page 95: Estudio de reestructuración de la central de generación y

97

las horas de la madrugada, que es donde la demanda de energía está en su punto

mínimo, los grupos operando en forma aislada no pueden suministrar esa

cantidad de energía tan reducida a cada circuito, porque como bien sabemos, no

es aconsejable trabajar un motor diesel por debajo de la mitad de su capacidad

nominal.

Es por tal motivo que en este estudio se pretende encontrar una solución técnica

y económicamente viable a estas dos situaciones mencionadas anteriormente.

Para tal fin, a continuación presentamos dos posibles alternativas para mejorar la

infraestructura de generación de la ciudad de Puerto Inírida. Posteriormente

procederemos a analizar las ventajas y las desventajas de cada una de estas,

para finalmente recomendar la que a nuestro criterio es la mejor.

Inicialmente sabemos que es necesario reemplazar la unidad denominada G2 en

el diagrama unifilar de la figura 4.1, porque es la que más se encuentra

descompuesta (G2 es el de mayor horas de servicio), por otra nueva de mayor

potencia. Además se debe reparar G1 en la medida en que sea posible; entonces

tenemos:

4.1.2 Alternativas de Optimización del Sistema de Generación Actual en

Puerto Inírida.

4.1.2.1 Alternativa 1: Sustitución del Grupo Electrógeno G2

En esta alternativa lo que se plantea es el reemplazo del grupo generador de

637kW de potencia nominal nombrado en el diagrama unifilar como generador

número dos, (el cual está bastante averiado) por otro generador de la misma

marca (Issotta Frachini) y de una potencia nominal capaz de satisfacer la

demanda de energía y potencia presentadas en las proyecciones del capítulo tres

de este estudio. El criterio de selección de la potencia nominal se basa en el

siguiente análisis:

Page 96: Estudio de reestructuración de la central de generación y

98

De acuerdo con el resultado de la proyección de la demanda de potencia en

Puerto Inírida, para 15 años tenemos que la población requerirá de 2771,44 kW

como mínimo para satisfacer sus requerimientos energéticos (este resultado se

encuentra en la tabla 3.3). Entonces con este resultado procedemos a seleccionar

la potencia de nuestro generador de modo tal que no se sobredimensione, pero

que tampoco sea muy pequeño. No olvidemos que la intención de esta alternativa

es utilizar el transformador de 2000 kVA existente en la subestación de la central,

por lo tanto la potencia del grupo nuevo no debe de sobrepasar los 1600 kW, o

sea 2000kVA. Entonces planteamos preliminarmente instalar un grupo de 1500

kW, puesto que es la potencia más cercana a 1600 kW en la cual fabrican

generadores marca Issotta. Observemos como se comportaría el sistema de la

ciudad en 15 años si implementamos este equipo:

TABLA 4.1 GENERACIÓN EN PUERTO INÍRIDA EN 15 AÑOS UTILIZANDO DOS

GENERADORES CUMMINS Y DOS ISSOTTA

G1 900kW

CONTINUOS

G2 1500kW

CONTINUOS

G3 1250kW

PRIME*

G4 1250kW

PRIME*

TOTAL kW

GENERADOS

% POTENCIA

GENERADA**

SI SI SI SI 4150 149.7

SI SI SI NO 3275 118.1

NO SI SI SI 3250 117.2

SI SI NO NO 2400 86.6

NO SI SI NO 86.6 85.7

NO SI NO NO 1500 54.1

*POTENCIA GENERADA= 70% DE LA POTENCIA NOMINAL

**% DE POTENCIA GENERADA RESPECTO A LA DEMANDA DEL AÑO 15 DE 2772 kW

En la tabla anterior indicamos como “SI” cuando el grupo generador está en

servicio y “NO” cuando se encuentra fuera de servicio. De acuerdo a lo observado

en la mencionada tabla, podemos concluir que el sistema será capaz de trabajar

normalmente, a pesar de no tener en servicio las unidades G1 o G4, y trabajará al

Page 97: Estudio de reestructuración de la central de generación y

99

85% de su capacidad si salen de servicio dos grupos al mismo tiempo. De igual

modo podrá atender la mitad de la demanda de energía en el caso de que salgan

las otras tres unidades de servicio, situación que no ha de ser muy frecuente. Por

lo tanto seleccionamos un grupo generador con una capacidad nominal de

1500kW y de los datos de placa mencionados en la tabla 4.2.

El motivo de seleccionar un generador de esta marca es estrictamente por su

tensión de servicio. Si pretendemos hacer la sustitución del mencionado grupo por

otro de tensión de servicio diferente, entonces estamos obligados a cambiar el

transformador que lo conecta con la barra, elevando de este modo los costos de la

optimización.

Sin embargo, al efectuar la sustitución descrita anteriormente, nos encontramos

con la misma dificultad técnica existente en estos momentos. Y esta dificultad no

es otra diferente a que no es posible la puesta en servicio de G1 y/o G2 con G3 y

G4. esta situación acontece porque el transformador T1 es del grupo de conexión

YND7, mientras que los otros dos transformadores pertenecen al grupo de

conexión DYN5. Por este motivo no es posible sincronizar las salidas de

frecuencia, secuencia de fase y voltaje en la barra de la subestación.

Entonces lo que se debe hacer es sincronizar el sistema de generación en el lado

de alta de los transformadores de potencia de la subestación. Para que sea

posible efectuar la sicronización en estos puntos, es indispensable instalar

interruptores entre el barraje y los transformadores. Como sabemos que el

generador con mayor potencia nominal es el de 1500 kW (a instalar), entonces

este será el que arrastre al sistema. O sea que este se debe de energizar primero

en vacío, para que los equipos de sincronismo tomen sus respectivas medidas de

tensión, frecuencia y fase, y las comparen con las mismas señales provenientes

de los otros dos generadores, tomando las desviaciones producidas por los

transformadores del sistema, para finalmente completar el ejercicio de sincronizar

los tres generadores cerrando los interruptores en la medida en que el mecanismo

Page 98: Estudio de reestructuración de la central de generación y

100

de sincronización lo permita. Este procedimiento se puede observar mejor en la

figura 4.1. Esta operación se puede realizar bien sea utilizando un sincronoscopio,

un brazo de sincronismo o sino implementando el método de las dos lámparas del

cual se hará una ilustración en párrafos posteriores

Respecto al generador de 900 kW de potencia (G1), lo que proponemos es que

sea reparado en la medida en que se pueda realizar la mencionada refacción. Si

no es factible debido a su avanzado deterioro, entonces se recomienda también

comprar uno nuevo. Esta reposición deberá de hacerse lo más pronto

dependiendo de los recursos a que tenga acceso la electrificadora.

En la búsqueda de alternativas para mejorar el sistema de generación de la cuidad

de Puerto Inírida, se pensó en la alternativa de conectar en paralelo las dos

unidades marca Cummins de 1250 kW cada una, con una tercera también de

1250 kW de potencia nominal (875kW al 70% de PN), para de éste modo

garantizar a los usuarios del servicio continuidad y confiabilidad en el suministro

de energía. Por esta razón a continuación describiremos tal alternativa:

4.1.2.2 Alternativa 2: Sustitución del Grupo Electrógeno G2 por Otro de

Iguales Características a los que Están en Servicio

Para que sea posible instalar un generador que pueda trabajar de modo

sincronizado con los generadores que se encuentran en éste momento en

servicio, debemos seleccionar el generador nuevo de modo tal que cumpla con los

requerimientos propios del sincronismo, tales como son, tener la misma

frecuencia, tensión de servicio y secuencia de fases.

La sincronización de los grupos se efectuará en el lado de alta de los

transformadores, de modo similar a lo descrito en la alternativa anterior.

Page 99: Estudio de reestructuración de la central de generación y

101

De igual forma que en la sección anterior y de acuerdo con el resultado de la

proyección de la demanda de potencia en Puerto Inírida, procedemos a

seleccionar la potencia de nuestro generador. Entonces planteamos instalar un

grupo de 1250 kW. Observemos como se comportaría el sistema de la ciudad en

15 años si implementamos este equipo marca Cummins, sin perder de vista que

este cálculo está basado en proyecciones que pueden tener imprecisiones:

TABLA 4.2 GENERACIÓN EN PUERTO INÍRIDA EN 15 AÑOS UTILIZANDO

TRES GENERADORES MARCA CUMMINS

G2 1250kW

PRIME*

G3 1250kW

PRIME*

G4 1250kW

PRIME*

TOTAL kW

GENERADOS

% POTENCIA

GENERADA**

SI SI SI 2625 94.46

SI SI NO 1750 63.13

SI NO NO 875 31.56

SI(100%) SI(100%) NO 2500 90.18

SI(100%) NO NO 1250 55.02

*POTENCIA GENERADA= 70% DE LA POTENCIA NOMINAL

**% DE POTENCIA GENERADA RESPECTO A LA DEMANDA DEL AÑO 15 DE 2772 KW

Igual que en la tabla de la sección anterior, indicamos como “SI” cuando el grupo

generador está en servicio y “NO” cuando se encuentra fuera de servicio, e

indicamos como “SI(100%)” cuando la máquina se trabaja a su potencia nominal.

De acuerdo a lo observado en la mencionada tabla, podemos concluir que,

contrario a la alternativa anterior, el sistema no es capaz de trabajar normalmente

si sale de servicio alguna unidad, o sea que es necesario racionar en estas

circunstancias. Para el último año del proyecto, se deben de trabajar los grupos al

74% de su potencia nominal de modo permanente, situación que está dentro de

los límites aceptados para trabajar un grupo electrógeno de servicio Prime.

Podríamos recomendar instalar un grupo electrógeno más grande, pero en

potencia nominal el que sigue de esta marca es de 2100 kW, y esta potencia es

muy grande para una sola máquina. Entonces, de acuerdo con lo analizado en

Page 100: Estudio de reestructuración de la central de generación y

102

esta alternativa, seleccionamos un grupo generador con una capacidad nominal

de 1250kW marca Cummins.

4.1.3 Curva Característica de Generación Diaria Con Servicio 24 Horas.

De acuerdo a uno de los objetivos de nuestro estudio de optimización del sistema

actual de Puerto Inírida referente a suministrar energía a la población durante un

periodo de 24 horas diarias, nos encontramos ante la necesidad de tener que

construir la curva de carga de la población durante este periodo de tiempo (24

horas/día). Y para ello hemos tomado un consumo de energía eléctrica muy bajo

durante las horas en las cuales actualmente no hay suministro. Esta parte de la

curva la elaboramos prolongando la carga desde el punto donde se hace el corte

del servicio hasta el extremo donde se reanuda el suministro de energía a la

población, ubicando su punto más bajo de consumo entre las 4:30 am y las 5:00

am. Esta suposición parte de la problemática de no encontrar estadísticas de

consumo de carga en la población durante las horas en las que en la actualidad no

se presta el servicio. A continuación presentamos un modelo de cómo debe ser

esta curva (figura 4.3).

Page 101: Estudio de reestructuración de la central de generación y

103

GENERACIÓN DIARIA ESTIMADA CON SERVICIO 24 HORAS

0200400600800

100012001400160018002000

0:30

2:30

4:30

6:30

8:30

10:3

012

:30

14:3

016

:30

18:3

020

:30

22:3

0

HORAS

KIL

OV

AT

IOS

Promedio Envolvente Suprior Envolvente Inferior

FIGURA 4.3

Para ver de un modo más claro el incremento en la calidad del servicio de este

modo, presentamos en la tabla 4.3 una comparación entre la curva de generación

actual (figura 4.2) y la que representa un suministro continuo de energía :

TABLA 4.3 ENERGÍA DIARIA GENERANDO 18 HORAS Y GENERANDO 24

HORAS DIARIAS.

CURVA GENERANDO 18 HORAS GENERANDO 24 HORAS

kWh/día Factor de Carga KWh/día Factor de Carga

Promedio 19267.00 0.446 25588.33 0.593

Envolvente Sup. 20568.60 0.476 27495.51 0.637

Envolvente Inf. 17749.62 0.411 23.887.93 0.553

4.1.4 Análisis de Carga y Estudio de Corto Circuito.

En esta sección de nuestro estudio de Alternativas para el Suministro de Energía

en Puerto Inírida, consideraremos cómo es el comportamiento eléctrico del

Page 102: Estudio de reestructuración de la central de generación y

104

sistema propuesto, proyectándolo a 15 años. Estudiaremos su estado normal de

funcionamiento, para posteriormente entrar a revisar como se comporta en

presencia de fallas, para así entrar a evaluar el sistema de protecciones de la

central generadora de energía.

El mencionado análisis se realizará en las dos alternativas descritas en las

secciones 4.1.2.1 y 4.1.2.2, teniendo en cuenta posibles contingencias en el

sistema de generación.

4.1.4.1 Flujos de Carga.

El análisis de flujos de carga es una de las principales herramientas en la

planeación de los sistemas, razón por la cual es utilizado ampliamente. Es de gran

importancia para quien hace la planeación; además, si se utiliza un programa

computacional para realizar esta labor, los errores se disminuyen en forma

considerable.

4.1.4.1.1 Flujo de Carga Alternativa 1: Sustitución del Grupo Electrógeno G2 .

Empezaremos simulando la situación de funcionamiento normal de la central de

generación de Puerto Inírida. En este esquema se muestra que G1 no está en

funcionamiento (figura 4.4), y este fenómeno ocurre debido a que no es necesario

poner en funcionamiento este grupo, porque el sistema puede funcionar sin

inconveniente alguno con las tres máquinas restantes, tal como se observa en la

figura 4.4. G1 es solo de reserva. Si la planeación se hiciera con máquinas

nuevas, obligatoriamente se debería de trabajar siempre con G1 y G2 que son de

trabajo continuo y dejar de respaldo las unidades G3 y G4. Pero como debemos

de tener en cuenta que G1 es un grupo que ya ha sido reparado con anterioridad,

no podemos confiarle la tarea de suministrar la energía al sistema de forma

permanente.

Page 103: Estudio de reestructuración de la central de generación y

105

FIGURA 4.4 FLUJO DE CARGA CON TRES UNIDADES EN SERVICIO AÑO

CERO DEL PROYECTO ALTERNATIVA 1

El sistema de la figura 4.4 es simulado en el año cero del proyecto. En este flujo

de carga observamos que los grupos G3 y G4 están trabajando aproximadamente

al 30% de su potencia nominal, mientras que G2 trabaja al 60 %. Entonces,

tampoco se pueden trabajar estos tres grupos al tiempo en los primeros años del

proyecto. Se debe de apagar bien sea G3 o G4 para que el sistema funcione de

modo óptimo.

Ahora procedemos a elaborar el flujo de carga en el año 15 del proyecto, el cual

se presenta en el diagrama unifilar de la figura 4.5. Notamos que los generadores

G3 y G4 trabajan aproximadamente al 71% de su potencia nominal mientras que

G2 lo hace al 60%. Esto quiere decir que el sistema de este modo trabaja

eficientemente.

Page 104: Estudio de reestructuración de la central de generación y

106

FIGURA 4.5 FLUJO DE CARGA CON TRES GRUPOS EN SERVICIO AÑO 15DEL PROYECTO ALTERNATIVA 1

Una vez demostrado que el sistema en el año 15 funciona satisfactoriamente,

analizaremos lo que ocurre cuando uno de los grupos sale de servicio, tal como se

muestra en la figura 4.6

FIGURA 4.6 FLUJO DE CARGA CON DOS GENERADORES EN SERVICIO AÑO15 DEL PROYECTO ALTERNATIVA 1

Page 105: Estudio de reestructuración de la central de generación y

107

En este esquema encontramos que los generadores se cargan 10%

aproximadamente. Si esta situación dura poca horas no va a causar ningún

traumatismo en la prestación del servicio, pero si la falla de G3 es mayor en

tiempo a un par de horas, se deberá de racionar energía en las horas pico. Este

racionamiento será de aproximadamente el 30%.

4.1.4.1.2 Flujo de Carga Alternativa 2: Sustitución del Grupo Electrógeno G1

y G2 Por Otro de Iguales Características a los que están en Servicio.

Igual que en la sección anterior, primero se analizará la situación en el año de

inicio del proyecto, y posteriormente se analizará en el año 15 con sus respectivos

análisis de contingencias.

FIGURA 4.7 FLUJO DE CARGA CON TRES GENERADORES EN SERVICIO

AÑO CERO DEL PROYECTO ALTERNATIVA 2

Al observar la figura 4.7 se aprecia que el sistema en el año cero del proyecto no

se va a sobrecargar y sus generadores trabajaran en rangos que están entre la

mitad de la potencia nominal de cada máquina y el 70% de su capacidad nominal.

Page 106: Estudio de reestructuración de la central de generación y

108

Ahora estudiemos la situación del sistema de generación de la alternativa 2 en el

año 15 del proyecto:

FIGURA 4.8 FLUJO DE CARGA CON TRES GENERADORES EN SERVICIO

AÑO 15 DEL PROYECTO ALTERNATIVA 2

Para el año 15 del proyecto tendremos que los generadores se cargarán entre el

72% y el 80% de su capacidad nominal. O sea que se encuentran dentro de los

límites permitidos de carga por los fabricantes de grupos electrógenos de potencia

Prime.

Ahora analizaremos que ocurre si uno de los generadores sale de servicio. Para

tal labor observaremos la siguiente figura:

Page 107: Estudio de reestructuración de la central de generación y

109

FIGURA 4.9 FLUJO DE CARGA CON DOS GENERADORES EN SERVICIO

ALTERNATIVA 2

En esta situación los generadores trabajarán al límite de su potencia nominal. Así

podrán trabajar pocas horas, pero de continuar esta situación se deberá de

racionar en las horas pico 30% aproximadamente.

4.1.4.2 Análisis de corto circuito.

Los estudios de corto circuito en los sistemas eléctricos como algunos otros se

hacen con un propósito específico, es decir que deben tener una aplicación

concreta para la solución de un probable problema. En principio se puede decir

que el corto circuito es una condición indeseable en un sistema eléctrico pero que

se puede presentar con una cierta probabilidad con diferentes orígenes primarios

por lo que se debe de considerar esto en los diseños a fin de prevenir sus efectos

y proveer de elementos de desconexión apropiados.

Page 108: Estudio de reestructuración de la central de generación y

110

En general se puede mencionar que un estudio de corto circuito sirve para:

• Determinar las características disruptivas de los elementos de desconexión

de las corrientes de corto como son interruptores, fusibles, reconectadores,

y fusibles de potencia principalmente.

• Realizar un estudio para la selección y coordinación de los dispositivos de

protección contra las corrientes de corto circuito.

En función de lo anterior se observa que es importante para cualquier

instalación eléctrica hacer el estudio de corto circuito por lo que es necesario

saber en principio que elementos intervienen y en que forma así como el nivel

de detalle requerido en cada caso.

Es por eso que adelantaremos este estudio para las dos alternativas

planteadas en este documento.

4.1.4.2.1 Análisis de Corto Circuito Alternativa 1

Comenzaremos con el análisis de corto circuito monofásico en la barra de 13.2

kV del esquema de generación planteado en la alternativa 1, con sus

respectivos aportes, tal como se aprecia en la figura 4.10

Page 109: Estudio de reestructuración de la central de generación y

111

FIGURA 4.10 CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO ALTERNATIVA1

El corto circuito trifásico en la barra de 13.2 kV también con sus respectivos

aportes se aprecia en la figura 4.11, los corto circuitos en trifásicos en las

demás del sistema aparece en la figura 4.12. Los reportes completos

aparecen en el anexo 4.

FIGURA 4.11 CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO BUS 13.2 KV ALTERNATIVA 1

Page 110: Estudio de reestructuración de la central de generación y

112

FIGURA 4.12 CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN TODAS LAS BARRAS

ALTERNATIVA 1

4.1.4.2.2 Análisis de Corto Circuito Alternativa 2

Ahora procedemos a calcular los mismos corto circuitos para la alternativa 2 y los

reportes con sus respectivos aportes aparecen en el anexo 5.

FIGURA 4.13 CORTO CIRCUITO MONOFÁSICO BARRA 13.2 KV

ALTERNATIVA2

Page 111: Estudio de reestructuración de la central de generación y

113

FIGURA 4.14 CORTO CIRCUITO TRIFÁSICO EN TODAS LAS BARRASALTERNATIVA 2

El análisis de corto circuito fue realizado para determinar los elementos que se

deben reemplazar, tales como son barajes e interruptores básicamente. Porque la

corriente de corto circuito es uno de los parámetros fundamentales en cualquier

diseño eléctrico. A su vez, también tiene bastante incidencia en lo que hace

referencia a las protecciones eléctricas del sistema. Dependiendo de los niveles

de corriente de corto circuito se seleccionan las respectivas protecciones (sin

perder de vista que la utilización del sistema también es un factor predominante en

la selección del sistema de protección).

4.1.5 Componentes del Sistema de Generación de Puerto Inírida.

A continuación haremos una breve descripción de todos los componentes

eléctricos que conformarán la central de generación en la cuidad, de acuerdo a lo

planteado en nuestra primera alternativa, diferenciando los elementos existentes,

de los que se deben de comprar, en la tabla de resumen que aparece al final de la

alternativa.

Page 112: Estudio de reestructuración de la central de generación y

114

4.1.5.1. Grupos electrógenos

Se conoce como grupo electrógeno al conjunto de un motor diesel y un generador

trifásico sincrónico, acoplados en sus ejes, que tiene como función suministrar

energía eléctrica.

Respecto del motor Diesel podemos agregar que su funcionamiento se basa en

utilizar la fuerza expansiva de la combustión del ACPM , provocada al mezclarse

con aire calentado a alta temperatura por compresión. Son entonces, motores de

combustión interna (ver sección 2.1.5.3). En cuanto al generador sincrónico

remitirse a la sección 2.1.5.2.

Los grupos electrógenos que recomendamos deben de continuar en servicio son

los siguientes:

TABLA 4.4 GRUPOS ELECTRÓGENOS DE LA CENTRAL DE PUERTO INÍRIDA

DESCRIPCIÓN UNIDAD GRUPO 1 GRUPO 2 GRUPO 3 GRUPO 4

Horas de Servicio H A Reparar A Instalar 23000 9800

Voltaje Generación V 4160 4160 440 440

Frecuencia Hz 60 60 60 60

Velocidad Rpm 1200 1200 1800 1800

Potencia Activa kW 900 1500 1250 1250

Potencia Aparente kVA 1875 1875 1562.5 1562.5

Cos φ 0.8 0.8 0.8 0.8

Consumo Combust Gal/hora 55 92 85 85

Consumo Aceite Gal/mes 33 68 44 40

Año de Fabricación Fecha 1990 2000 1995 (mayo) 1999 (JUN)

Fuente: Generación Diesel Metodología. Documento ICEL

Page 113: Estudio de reestructuración de la central de generación y

115

4.1.5.1.1 Interruptor del Generador.

Los interruptores para generador representan una clase especificada para

corrientes de paso continuo y corrientes de cortocircuito muy altas, típicamente a

los voltajes del generador. Los interruptores del generador se incorporan en los

ductos de los buses del generador y pueden incluir otros componentes de

interrupción para medición de corriente, detección de fallas y aterrizado.

Los interruptores ABB para generadores se fabrican hasta 50 kA de corriente

nominal y hasta 220 kA. Se emplean dos tecnologías: de aire comprimido a las

capacidades más altas y de SF6 de auto soplado en los niveles de potencia bajos

e intermedios.

Algunas ventajas de utilizar interruptores de generador incluyen las siguientes:

• Simplificación de operación, especialmente durante la puesta en servicio y

las repeticiones de puesta en servicio, porque el generador puede

manejarse como unidad separada, aislada del transformador principal y de

los transformadores unitarios.

• Protección contra falla entre el generador y el transformador. Se crean dos

zonas de protección y las fallas del generador se aíslan al abrir únicamente

el interruptor del generador.

• Protección del generador contra desbalanceo de carga.

• Protección del generador contra fallas del transformador.

• Aumento de confiabilidad y disponibilidad.

Page 114: Estudio de reestructuración de la central de generación y

116

4.1.5.2 Subestación.

Las subestaciones constituyen los centros de maniobra de un sistema eléctrico, y

en donde se decide el destino de la energía producida en las centrales

generadoras.

Podemos clasificar la subestación de la central de Puerto Inírida como una

subestación de transformación elevadora.

Este tipo de subestaciones se utilizan en la salida de los grupos generadores de la

central, con el fin de transformar la tensión de la energía generada, a una tensión

propia de distribución en el área urbana o centro de consumo.

Equipos de la subestación

Los principales elementos que conforman la subestación son:

4.1.5.2.1 Interruptores.

Es el más importante equipo de la subestación con el cual se maneja la conexión

o desconexión de la energía entre los centros de producción y distribución y el

encargado de suspender lo aclarar las fallas que se presenten en el sistema de

generación.

Según su medio de disrupción se destacan:

• Interruptor de mínimo volumen de aceite

• Interruptor de aire comprimido

• Interruptor de hexafluoruro de azufre SF6

Page 115: Estudio de reestructuración de la central de generación y

117

El interruptor más utilizado es el de exafluoruro de azufre que ha venido

imponiéndose tanto en subestaciones subterráneas o bajo cubierta como en las

convencionales o de intemperie.

4.1.5.2.2 Seccionadores.

Los seccionadores son elementos que se utilizan para separar eléctricamente los

equipos en la subestación y no se deben usar para interrumpir o establecer flujo

de energía en el circuito.

El sistema de separación puede ser horizontal con seccionsdores de brazo

sencillo, brazo doble de rotación central y apertura vertical o separación vertical

con seccionadores de pantógrafo o de telescopio.

4.1.5.2.3 Pararrayos.

Elemento para protección del equipo de la subestación por sobre voltajes

provenientes de descargas atmosféricas o por cambio de estado en el sistema.

En la subestación a parte de los equipos mencionados también tenemos

aisladores, barajes, estructuras, obras civiles, reactores, tableros de control,

equipos de comunicación, baterías y cargadores de baterías, transformadores de

corriente y de potencial, al igual que de servicios auxiliares, equipos de medida y

protección, y sobre todo, transformadores de potencia.

4.1.5.2.4 Transformadores de potencia.

El transformador tiene como función elevar la tensión de generación, en este caso

a niveles utilizados para la distribución de energía eléctrica por medio de una red

de distribución. El transformador se conecta en el lado de baja tensión (primario) al

Page 116: Estudio de reestructuración de la central de generación y

118

generador mediante unas barras o mediante unos conductores (que es el

elemento conector en Puerto Inírida) que sean capaces de soportar la corriente

que debe circular por estos. De este mismo modo se conecta el lado de alta

tensión (secundario) a otro barraje que es el de la subestación mediante líneas

aéreas.

La conexión en el lado de baja tensión para transformadores de potencia

(transformadores elevadores) generalmente se realiza en delta para suprimir los

armónicos que se presentan en una conexión estrella, o sea que su función es

atrapar los armónicos a fin de que circulen en un circuito cerrado y no repercutan

en otros elementos de la central o de la red. En el lado de alta tensión la conexión

será en estrella con neutro sólidamente aterrizado.

Las constantes de especificación de un transformador de potencia, o sea la

potencia en kVA, los voltajes entre terminales y las corrientes, se definen en la

norma ANSI C.57.12.80. Se basan en los voltajes nominales de los devanados sin

carga, si bien, se reconoce que el voltaje primario real en servicio debe ser mayor

que el voltaje nominal por la magnitud de la regulación, si el transformador ha de

entregar el voltaje de especificación a la carga conectada al secundario.

A continuación presentamos el listado de transformadores a utilizar en la

subestación de la central de generación de Puerto Inírida, los cuales están

representados en la tabla 4.5:

Page 117: Estudio de reestructuración de la central de generación y

119

TABLA 4.5 TRANSFORMADORES DE LA CENTRAL DE PUERTO INÍRIDA

DESCRIPCIÓN UNIDAD TRANSFORM 1 TRANSFORM 2 TRANSFORM 3

Fabricante SIEMENS SIEMENS T Y F

Potencia kVA 2000 1600 1600

Relac. Transformación V 4160/13200 460/13200 440/13200

Grupo de conexión DYN7 DYN5 DYN5

µk % 5.81 5.2 6.44

Tanque de Expanción SI NO SI

Relé Buchholz SI NO SI

Relé presión súbita SI SI NO

Peso total Kg 4700 3910 4950

Volumen aceite Litros 1410 1005 1454

Compra e instalación Año 1990 1998 1996

TODOS LOS TRANSFORMADORES SE VAN A UTILIZAR

4.1.6 Consideraciones de Diseño.

Para realizar el diseño de subestación se requiere evaluar, entre otras, las

siguientes consideraciones:

• La importancia eléctrica de la subestación, teniendo en cuenta los puntos

con que se conecta y el volumen de energía que tiene que manejar. Para la

subestación de Puerto Inírida podemos decir que el volumen de energía

que maneja a diario es de 19000 kWh aproximadamente.

• Se deben de tener en cuenta consideraciones económicas dependiendo de

su importancia.

• La tensión de servicio y los niveles de cortocircuito del sistema.

Page 118: Estudio de reestructuración de la central de generación y

120

• El tipo de subestación que se desea construir y el servicio que se espera.

Debemos tener en cuenta que nuestra subestación ya está construida, y lo

único que haremos será algunas modificaciones para poder garantizar

continuidad en el servicio.

• Las posibilidades de ampliación.

• Las facilidades de manejo y operación en conjunto con la continuidad del

servicio.

• La normalización de la subestación.

• Consideraciones ambientales, al igual que las condiciones socio

económicas de la región donde se va a instalar.

4.1.5.1. Configuración de la subestación.

Evaluadas las consideraciones anteriores, se presenta para el diseño de la

subestación variadas configuraciones entre las cuales las más usadas para uestro

caso específico son:

4.1.5.1.1 Barraje sencillo.

Es la más simplificada de las conexiones de barajes. Todas las líneas

generadores y transformadores están conectads al barraje que se extiende sin

interrupción a lo largo del patio de conexiones.

Su principal ventaja estriba en la sencillez de la instalación, cantidad de

estructuras interruptores, seccioadores, obra civil, menor cantidad de aisladores y

por consiguiente de fallas, es decir, menor inversión.

Page 119: Estudio de reestructuración de la central de generación y

121

Sin embargo, tiene la desventaja de ser restringida la posibilidad para

mantenimiento de equipo y en el evento de una falla en el barraje, queda la

subestación fuera de servicio. Afortunadamente este tipo de falla no es usual,

quedando así el mantenimiento del equipo como principal desventaja.

4.1.5.1.2. Barraje seccionado.

Con el fin de tener la posibilidad de mantenimiento en una sección sin interferir

con la operación de la otra, se divide el barraje, en dos o más secciones

dependiendo de la importancia de la subestación. Es importante que este

seccionamiento se haga con un interruptor puesto que permite desacoplar las

secciones con transferencia de carga. Con barraje seccionado aumenta el costo

de la subestación pero se tiene mayor disponibilidad y continuidad en el servicio.

A pesar de los dones de la configuración de barraje seccionado, se optó por dejar

la configuración existente que es de configuración sencilla, por considerar que

este tipo de configuración es el más aconsejable para una subestación de las

características requeridas por la central de la ciudad.

4.1.6 Coordinación de Aislamiento.

Es bien sabido que en las redes eléctricas se presentan sobrevoltajes transientes

originados por maniobras del sistema, los cuales generalmente son controlables, y

por descargas atmosféricas y condiciones anormales de la red, que son

impredecibles. La idea general de la coordinación del aislamiento consiste en

analizar y correlacionar los niveles de aislamiento de los aparatos del sistema

eléctrico con los dispositivos de protección, de tal manera que se suprima, hasta

donde económicamente sea factible, un posible daño en los aislamientos

eléctricos de los equipos del sistema.

Page 120: Estudio de reestructuración de la central de generación y

122

La manera como se protege un sistema contra sobrevoltajes es realmente un

asunto económico. Sería costosísimo aislar los equipos para que resistan

cualquier sobrevoltaje. Así mismo, no sería nada práctico aislar el sistema para el

voltaje nominal y aceptar las fallas por sobretensiones, lo que treria como

consecuencia, el daño del equipo, reparaciones e interrupción del sistema.

La función del elemento de protección es limitar los sobrevoltajes que llegan al

aparato protegido, que generalmente son los equipos más costosos, como son

transformadores y disyuntores.

4.1.6.1 Definiciones.

Con el fin de tratar de estandarizar las especificaciones del aislamiento del equipo,

acudiremos a las definiciones presentadas por la Norma IEC 71. de esta Norma

extraeremos las definiciones más importante en lo que se refiere al tema de la

coordinación de aislamiento.

• Voltaje Nominal de un Sistema: es el voltaje eficaz línea a línea para el cual

el sistema está asignado.

• Voltaje Máximo de un Sistema: es el mayor voltaje eficaz línea a línea que

pueda sostenerse bajo condiciones de operación normal en el sistema.

Normalmente se toma como el 110% del voltaje nominal del sistema.

Excluye sobrevoltajes temporales.

• Voltaje Máximo para el Equipo: es el voltaje máximo para el cual se ha

diseñado el equipo, especialmente bajo el punto de vista del aislamiento.

• Instalación Expuesta: es una instalación en la cual los equipos estarán

expuestos a sobretensiones producidas por descargas atmosféricas.

Page 121: Estudio de reestructuración de la central de generación y

123

• Aislamiento Externo: es el aislamiento de parte externa del equipo, que

consiste en espacios de aire o superficies aislantes en el aire, sujeto al

mismo tiempo a esfuerzos dieléctricos y a efectos de consideraciones

atmosféricas tales como humedad, polvo, polución, etc.

• Sistema con el Neutro Aislado: es un sistema en cual no hay una conexión

intencional a tierra, excepto a través de aparatos de medida, de indicación

o e protección, de alta impedancia.

• Sistema Aterrizado a Través de una Bobina de Supresión: es un sistema

con el neutro puesto a tierra a través de un reactor.

• Sobretensión: el aislamiento de los equipos de una subestación está

sometido permanentemente a los esfuerzos producidos por la tensión de

operación en las condiciones normales de servicio y esporádicamente por

encima de las tensiones normales de servicio.

Cuanto mayor es la tensión que pueda aparecer en cualquier punto de la re,

tanto más deberá de ser elevado el aislamiento de la instalación, lo cual

representa elevados costos. De aquí que sea de fundamental iportancia

limitar las sobretenciones y coordinar el nivel de aislamiento de modo que

se satisfagan los requisitos técnicos con la mayor economía posible.

Las sobretensiones pueden ser de origen externo, que son las producidas

por descargas atmosféricas sobre los conductores, también pueden ser de

origen interno, las cuales son producidas por las operaciones de apertura y

cierre de los interruptores, por pérdidas de carga súbita en líneas largas,

por sobrevelocidades de los generadores, o por fallas monofásicas.

Page 122: Estudio de reestructuración de la central de generación y

124

4.1.6.2. Protección Contra las Sobretensiones.

Para proteger el sistema contra sobretensiones existen varias técnicas y la

coordinación de los aparatos de protección con los aislamientos de los equipos

debe tener un estudio cuidadoso para determinar técnica y económicasmente cual

es el mejor sistema de protección.

• Protección contra sobretensiones externas.

Para efectuar una evaluación de la protección contra sobrecargas

originadas por descargas atmosféricas, es necesario determinar el nivel

ceráunico de la región, el cual da el número de días en el año en que

probablemente haya tormentas. El nivel isoceráunico es en general más

bajo a medida que se acerca a los polos terrestres, y más alto en los

trópicos.

Para proteger la subestación contra descargas directas de los rayos se

utilizan hilos de guarda cuado el nivel isoceráunico es medianamente alto, o

simples astas sobre los soportes cuando la probabilidad de rayos es muy

reducida. Los hilos de guarda deben instalarse a una altura adecuada para

proteger eficazmente los conductores y los equipos de la subestación.

Otra medida para la protección de los equipos de subestación contra rayos

que caen en las líneas y penetran en la subestación consiste en instalar

explosores o cuernos de arco en los equipos de la subestación. Esta

medida se justifica en regiones con moderados niveles isoceráunicos o en

las subestaciones donde no se justifica económicamente sistemas más

costosos.

• Protección contra sobretenciones internas.

Page 123: Estudio de reestructuración de la central de generación y

125

El conocimiento de estas sobretensiones es de fundamental importancia

para la ordenada selección de los pararrayos, ya que la tensión nominal de

los pararrayos debe ser siempre mayor a la máxima tensión eficaz que

pueda aparecer en el sistema entre fase y tierra.

Las sobretensiones de origen interno debido a fallas de fase a tierra

dependen a la relación de impedancia de secuencia cero y secuencia

positiva, vistas desde el punto donde quedaría el corto circuito, o también

dependiendo del coeficiente de puesta a tierra que ya se definió. En

sistemas puestos efectivamente a tierra la máxima sobretensión de fase a

tierra, el valor eficaz, no superará el valor de 1.4 veces la tensión simple , o

sea el 80% de la tensión entre fases.

4.1.7 Protecciones Eléctricas.

La función de las protecciones eléctricas es lograr la pronta restauración del

servicio de cualquier elemento del sistema de potencia cuando éste sufre un corto

circuito, o cuando empieza a operar de un modo anormal que podría causar daños

o interferir con el resto del sistema.

Nuestro sistema de potencia consiste básicamente en la central de generación y

su correspondiente subestación elevadora que a vez actúa como una subestación

de distribución de energía a los usuarios del sistema. La carencia de toda posible

falla en éste equipo, implicaría el no tener que usar protecciones eléctricas. Este

diseño perfecto es imposible de obtener, y si intentamos buscar el límite máximo

de seguridad en cuanto a fallas se refiere, tendremos que hacer una inversión

muchísimo mayor al bien que se va a prestar, siendo de este modo antieconómico

buscar el mencionado límite. Es por eso que la protección eléctrica y su

correspondiente equipo se instala para disminuir los efectos de una falla en el

evento en que ocurran.

Page 124: Estudio de reestructuración de la central de generación y

126

4.1.7.1 Relés.

Un relé de protección es un dispositivo diseñado para detectar condiciones

anormales que ocurren en un sistema de potencia. Las señales típicas para los

relés son corriente, voltaje, frecuencia, potencia y temperatura.

El diseño de un buen sistema de protecciones está basado en los siguientes

criterios:

• Confiabilidad: habilidad para operar correctamente cuando sea requerido y

evitar daños en los elementos que protege.

• Velocidad: debe de operar rápido para minimizar averías en los equipos y

evitar perturbaciones al sistema.

• Selectividad: habilidad para retirar una mínima parte del sistema con el

propósito de asegurar la máxima continuidad en el servicio.

• Economía: máxima protección al mínimo costo.

• Simplicidad: mínima cantidad de equipos y de circuitos.

4.1.7.2 Transformadores de Corriente y de Potencial

Los relés tipo AC toman las señales mediante transformadores de corriente CT y

transformadores de voltaje PT. Estos transformadores son necesarios para

proporcionar aislamiento contra el alta voltaje del sistema de potencia. Ellos

alimentan a los relés con cantidades proporcionales a aquellas del circuito de

potencia, pero reducidas en magnitud.

Page 125: Estudio de reestructuración de la central de generación y

127

TRANSFORMADOR DE CORRIENTE

IPrimario 1000/5

ISecundario

FIGURA 4.15

El secundario de un TC no debe quedar en circuito abierto cuando el primario esté

energizado.

RELES DE SOBRECORRIENTE

Un relé de sobrecorriente puede ser clasificado como instantáneo o de tiempo

retardado. Los relés de sobrecorriente generalmente son usados para proteger:

• Circuitos de distribución.

• Motores.

• Subtransmisión y algunas veces transmisión.

• Detectores de fallas.

• Respaldo

Los reles de respaldo tienen curvas características de tiempo que van desde

tiempo definido hasta extremadamente inverso como se muestra en la figura 4.16

ISecundario=IPrimario %(CT relación)

CT=I/I2

Page 126: Estudio de reestructuración de la central de generación y

128

Tiempo 3 4

2

1

Corriente

FIGURA 4.16

PROTECCIÓN DEL GENERADOR

Las siguientes condiciones anormales pueden ocurrir en un generador:

• Falla eléctrica en los devanados

• Sobrecarga

• Sobrecalentamiento de los arrollamientos o en los cojinetes

• Sobrevelocidad

• Pérdida o disminución de la excitación.

• Motorización del generador.

• Corrientes desbalanceadas.

• Pérdida de sincronismo.

• Disminución de la frecuencia.

1. Tiempo Mínimo Definido2. Tiempo Inverso3. Tiempo muy Inverso4. Tiempo Extremadamente Inverso.

Page 127: Estudio de reestructuración de la central de generación y

129

Algunas de las condiciones anormales necesitan ser anunciadas para que el

operario corrija la acción defectuosa y la máquina pueda continuar en servicio. La

cantidad e protección aplicada depende del tamaño e importancia de la unidad.

Unidad generador transformador es cuando no existe disyuntor entre ellos.

PROTECCIÓN DE TRANSFORMADORES

Los transformadores pequeños generalmente se protegen con fusibles. esta es la

protección más económica, pero la calidad de respuesta a fallas puede ser baja y

en consecuencia obtener daños excesivos.

Los transformadores medianos y grandes se protegen con relés diferenciales,

relés de cambio de la rata de presión, como es el caso de lo0s transformadores de

la subestación de la central de Puerto Inírida, y algunas veces con relés de

sobrecorriente. A menudo la protección de temperatura se usa para protecciones

de sobrecarga. Algunos relés diferenciales para transformadores son fabricados

con retención armónica para evitar su operación en el momento de energizar su

transformador.

4.1.8 Sincronización de los Generadores.

Para conectar los generadores sincrónicos de la central de Puerto Inírida, los

voltajes de generación deben ser iguales y las máquinas deben de estar

sincronizadas, es decir, la velocidad debe de estar ajustada de modo que los

valores instantáneos correspondientes en las dos ondas se alcancen en el mismo

instante, cuando estarán en fase exacta. Es de suma importancia tener en cuenta

que la dirección de rotación de fase debe de ser la misma en las dos máquinas.

Esto, sin embargo, se hace por lo general cuando se instalen las máquinas y se

conecten las fases a los interruptores de manera que la rotación de fase sea

siempre correcta.

Page 128: Estudio de reestructuración de la central de generación y

130

4.1.8.1 Sincronización Por el Método de las Lámparas

este método es el más sencillo que se utiliza para sincronizar dos generadores

sincrónicos. El principio de los sincronizadores de lámpara se ilustra en la figura

4.17 donde a y a1 son los generadores que van a ser objeto de la sincronización y

t y t1 son los transformadores cuyos secundarios están conectados en oposición a

través de las lámparas incandescentes L y L1. cuando los dos generadores están

en sincronismo, las fuerzas electromotrices de los secundarios se neutralizan

entre si y las lámparas están oscuras. A medida que aumenta la diferencia de fase

aumentará la corriente que pasa por las lámparas, alcanzando un máximo nivel de

corriente cuando la diferencia de fase es de 1800. Si las máquinas funcionan a

diferentes velocidades, las lámparas van a “parpadear”. Si se invierte el

secundario de un transformador, las lámparas estarán más brillantes cuando

ocurre el sincronismo y estarán más oscuras a los 1800 de diferencia de fase. Este

último tipo de conexión es el más utilizado, porque el punto de oscuridad total se

detecta más fácilmente que el punto de mayor nivel de iluminación. Hay que tener

en cuenta que en vez de utilizar las lámparas, en su reemplazo podemos usar un

voltímetro, conectándolo de modo tal que el sincronismo sea indicado cuando la

lectura sea máxima. La desventaja de este método es que no indica cual

frecuencia es la más alta. Los indicadores de sincronismo que no solo resuelven

este problema, sino que indican también el punto de sincronismo en forma más

precisa.

se debe de llevar a cabo esta operación tomando como referencia una de las

máquinas, en este caso elegimos el generador nuevo, porque este es el de mayor

potencia, y en el desafortunado evento en que la sincronización se haga mal, esta

máquina no sufra daño alguno

Page 129: Estudio de reestructuración de la central de generación y

131

Conexiones Para Sincronismo con Lámparas

FIGURA 4.17

4.1.10 ESQUEMA DE PROTECCIONES DE LA CENTAL DE PUERTO INÍRIDA.

En términos generales, los equipos de protección a utilizar en la central de

generación de la ciudad son relés de sobrecorriente 50/51 los cuales envían sus

señales de disparo a los interruptores tal como se muestra en el diagrama 4.18.

Consideramos que no es necesario implementar más equipos de protección,

puesto que esta situación incrementaría los costos sin una justificación evidente.

AA 1

T L L1 T1

Page 130: Estudio de reestructuración de la central de generación y

132

Figura 4.18 Diagrama de Protecciones.

4.1.11 Coordinación de Protecciones

Para brindar mayor confiabilidad al Sistema Diesel en Puerto Inirida, debemos

tener en cuenta las protecciones necesarias para obtener una pronta restauración

del servicio en determinado momento cuando hay una falla de tipo de cortocircuito

o que la operación de las máquinas este de modo anormal que afecten el sistema.

Para el sistema diesel se ajustará y especificará las siguientes protecciones de

acuerdo a la ilustración de la figura 4.18.

Page 131: Estudio de reestructuración de la central de generación y

133

4.1.11.1 Ajuste de Protecciones Alternativa 1

Protección para la Planta 1 ( ISSOTTA 900 kW) :

Relé 50/51 : relé de sobrecorriente

En la figura 4.19 se mostrara el comportamiento típico de un relé de

sobrecorriente.

Conexión típica de un relé de sobrecorriente a un transformador de corriente que

se ilustrara en la figura 4.20 .

I (A)

t (seg)

1.6IN 3IN

FIGURA 4.19

50/51

K

L

TC

FIGURA 4.20

1

Page 132: Estudio de reestructuración de la central de generación y

134

La protección de sobrecorriente 50/51 es de estado temporizado e instantáneo :

Temporizado : 1.6 IN tiempo = 1 seg

Instantáneo : 3 IN tiempo = 0 seg

Para el ajuste del relé, hallamos la corriente nominal de la Planta 1 :

IN = AkV

kVA157

16.4*3

1125=

Especificamos el transformador de corriente :

Relación de transformación : 200/5 A

Esquemáticamente sería :

Recordemos que la corriente que detecta el relé es la procedente del

transformador de corriente que no debe ser mayor a 5 Amperios, entonces :

50/51

K

L

200/5A

Page 133: Estudio de reestructuración de la central de generación y

135

200 A ------------------ 5 A

157 A ------------------- x

x = 4.1 A

La protección de sobrecorriente en estado temporizado, me detecta la falla en una

corriente de :

1.6 * 4.1 A = 6.56 A

( t = 1 seg )

en estado instantáneo, la falla es detectada en :

3 * 4.1 = 12.3 A

( t = 0 )

El esquema representativo del funcionamiento de esta protección es :

I (A)

t (seg)

12.36.56

Page 134: Estudio de reestructuración de la central de generación y

136

Protección para la Planta 2 ( ISSOTTA 1500 kW) :

Relé 50/51 : relé de sobrecorriente

Para el ajuste del relé, hallamos la corriente nominal de la Planta 2 :

IN = AkV

kVA260

16.4*3

1875=

Especificamos el transformador de corriente :

Relación de transformación : 300/5 A

Esquemáticamente sería :

La conexión típica del transformador de corriente y el relé con una relación de

transformación de 300 A a 5 A.

50/51

K

L

300/5A

Page 135: Estudio de reestructuración de la central de generación y

137

Recordemos que la corriente que detecta el relé es la procedente del

transformador de corriente que no debe ser mayor a 5 Amperios, entonces :

300 A ------------------ 5 A

260 A ------------------- x

x = 4.3 A

La protección de sobrecorriente en estado temporizado, me detecta la falla en una

corriente de :

1.6 * 4.3 A = 6.9 A

( t = 1 seg )

en estado instantáneo, la falla es detectada en :

3 * 4.3 = 12.9 A

( t = 0 )

El esquema representativo del funcionamiento de esta protección es :

I (A)

t (seg)

12.96.9

Page 136: Estudio de reestructuración de la central de generación y

138

Protección para la Planta 3 ( CUMMINS 1250 kW) :

Relé 50/51 : relé de sobrecorriente

Para el ajuste del relé, hallamos la corriente nominal de la Planta 2 :

IN = AkV

kVA1950

44.0*3

1562=

Especificamos el transformador de corriente :

Relación de transformación : 2000/5 A

Esquemáticamente sería :

La conexión típica del transformador de corriente y el relé con una relación de

transformación de 2000 A a 5 A.

Recordemos que la corriente que detecta el relé es la procedente del

transformador de corriente que no debe ser mayor a 5 Amperios, entonces :

50/51

K

L

2000/5A

Page 137: Estudio de reestructuración de la central de generación y

139

2000 A ------------------ 5 A

1950 A ------------------- x

x = 4.9 A

La protección de sobrecorriente en estado temporizado, me detecta la falla en una

corriente de :

1.6 * 4.9 A = 7.8 A

( t = 1 seg )

en estado instantáneo, la falla es detectada en :

3 * 4.9 = 14.7 A

( t = 0 )

El esquema representativo del funcionamiento de esta protección es :

I (A)

t (seg)

14.77.8

Page 138: Estudio de reestructuración de la central de generación y

140

Protección para la Planta 4 ( CUMMINS 1250 kW) :

Relé 50/51 : relé de sobrecorriente

Para el ajuste del relé, hallamos la corriente nominal de la Planta 2 :

IN = AkV

kVA1950

44.0*3

1562=

Especificamos el transformador de corriente :

Relación de transformación : 2000/5 A

Esquemáticamente sería :

La conexión típica del transformador de corriente y el relé con una relación de

transformación de 2000 A a 5 A.

Recordemos que la corriente que detecta el relé es la procedente del

transformador de corriente que no debe ser mayor a 5 Amperios, entonces :

50/51

K

L

2000/5A

Page 139: Estudio de reestructuración de la central de generación y

141

2000 A ------------------ 5 A

1950 A ------------------- x

x = 4.9 A

La protección de sobrecorriente en estado temporizado, me detecta la falla en una

corriente de :

1.6 * 4.9 A = 7.8 A

( t = 1 seg )

en estado instantáneo, la falla es detectada en :

3 * 4.9 = 14.7 A

( t = 0 )

El esquema representativo del funcionamiento de esta protección es :

I (A)

t (seg)

14.77.8

Page 140: Estudio de reestructuración de la central de generación y

142

4.1.11.2 Ajuste de Protecciones Alternativa 2

Protección para la Planta 1 ( CUMMINS 1250 kW) :

Relé 50/51 : relé de sobrecorriente

Para el ajuste del relé, hallamos la corriente nominal de la Planta 1 :

IN = AkV

kVA1950

44.0*3

1562=

Especificamos el transformador de corriente :

Relación de transformación : 2000/5 A

Esquemáticamente sería :

La conexión típica del transformador de corriente y el relé con una relación de

transformación de 2000 A a 5 A.

50/51

K

L

2000/5A

Page 141: Estudio de reestructuración de la central de generación y

143

Recordemos que la corriente que detecta el relé es la procedente del

transformador de corriente que no debe ser mayor a 5 Amperios, entonces :

2000 A ------------------ 5 A

1950 A ------------------- x

x = 4.9 A

La protección de sobrecorriente en estado temporizado, me detecta la falla en una

corriente de :

1.6 * 4.9 A = 7.8 A

( t = 1 seg )

en estado instantáneo, la falla es detectada en :

3 * 4.9 = 14.7 A

( t = 0 )

El esquema representativo del funcionamiento de esta protección es :

I (A)

t (seg)

14.77.8

Page 142: Estudio de reestructuración de la central de generación y

144

Protección para la Planta 2 ( CUMMINS 1250 kW) :

Relé 50/51 : relé de sobrecorriente

Para el ajuste del relé, hallamos la corriente nominal de la Planta 2 :

IN = AkV

kVA1950

44.0*3

1562=

Especificamos el transformador de corriente :

Relación de transformación : 2000/5 A

Esquemáticamente sería :

La conexión típica del transformador de corriente y el relé con una relación de

transformación de 2000 A a 5 A.

Recordemos que la corriente que detecta el relé es la procedente del

transformador de corriente que no debe ser mayor a 5 Amperios, entonces :

50/51

K

L

2000/5A

Page 143: Estudio de reestructuración de la central de generación y

145

2000 A ------------------ 5 A

1950 A ------------------- x

x = 4.9 A

La protección de sobrecorriente en estado temporizado, me detecta la falla en una

corriente de :

1.6 * 4.9 A = 7.8 A

( t = 1 seg )

en estado instantáneo, la falla es detectada en :

3 * 4.9 = 14.7 A

( t = 0 )

El esquema representativo del funcionamiento de esta protección es :

I (A)

t (seg)

14.77.8

Page 144: Estudio de reestructuración de la central de generación y

146

Protección para la Planta 3 ( CUMMINS 1250 kW) :

Relé 50/51 : relé de sobrecorriente

Para el ajuste del relé, hallamos la corriente nominal de la Planta 3 :

IN = AkV

kVA1950

44.0*3

1562=

Especificamos el transformador de corriente :

Relación de transformación : 2000/5 A

Esquemáticamente sería :

La conexión típica del transformador de corriente y el relé con una relación de

transformación de 2000 A a 5 A.

Recordemos que la corriente que detecta el relé es la procedente del

transformador de corriente que no debe ser mayor a 5 Amperios, entonces :

50/51

K

L

2000/5A

Page 145: Estudio de reestructuración de la central de generación y

147

2000 A ------------------ 5 A

1950 A ------------------- x

x = 4.9 A

La protección de sobrecorriente en estado temporizado, me detecta la falla en una

corriente de :

1.6 * 4.9 A = 7.8 A

( t = 1 seg )

en estado instantáneo, la falla es detectada en :

3 * 4.9 = 14.7 A

( t = 0 )

El esquema representativo del funcionamiento de esta protección es :

I (A)

t (seg)

14.77.8

Page 146: Estudio de reestructuración de la central de generación y

148

4.1.11.3 Clase de Precisión de los Transformadores de Corriente

Todo transformador de corriente tiene una clase de precisión que es la que

interpreta los valores reales, por ejemplo 5P20 esto quiere decir que el núcleo del

transformador de corriente no se satura más de 20 veces la corriente nominal y el

error debe ser menor al 5%.

Esto se puede ilustrar de forma más clara en la curva de saturación del núcleo del

transformador de corriente (figura 4.21).

SATURACIÓN : capacidad que tiene un material magnético de aguantar un flujo

magnético.

DENSIDAD : capacidad que tiene un material magnético de dejar conducir líneas

de campo magnético por unidad de área.

5%

φB

I20IN

ClP20

FIGURA 4.21

SATURACIÓN

Page 147: Estudio de reestructuración de la central de generación y

149

4.1.12 Especificación de Interruptores. Alternativa 1

Actualmente en Puerto Inirida cada planta tiene su respectivo interruptor.

Teniendo en cuenta la propuesta planteada en nuestro estudio acerca de la

optimización del sistema (alternativa 1), se debe tener en cuenta que hay que

adquirir un nuevo interruptor para la generación de la planta.

A continuación se darán las especificaciones de todos los interruptores, incluyendo

el nuevo interruptor (planta 2 ISSOTTA), teniendo como base los análisis de

cortocircuito presentados en la sección 4.1.4.2.1.

Especificación del Interruptor 1 ( Planta ISSOTTA 900 kW) :

Teniendo como referencia las corrientes nominales de las plantas (calculadas en

la sección anterior) especificamos los interruptores así :

Corriente del Interruptor I = 200 A

Corriente de cortocircuito Icc = 2.18 kA

(dato perteneciente al reporte de cortocircuito, anexo 4)

Según el nivel de tensión del sistema, nos dirigimos a las tablas de especificación

de interruptores (anexo 6) y seleccionamos el interruptor deseado :

Tensión nominal Vn = 4.16 kV

Tensión de Impulso Vi = 60 kV

Tensión de prueba Vp = 19 kV

Page 148: Estudio de reestructuración de la central de generación y

150

Especificación del Interruptor 2 ( Planta ISSOTTA 1500 kW) :

Teniendo como referencia las corrientes nominales de las plantas (calculadas en

la sección anterior) especificamos los interruptores así :

Corriente del Interruptor I = 300 A

Corriente de cortocircuito Icc = 2.28 kA

(dato perteneciente al reporte de cortocircuito, anexo 4)

Según el nivel de tensión del sistema, nos dirigimos a las tablas de especificación

de interruptores (anexo 6) y seleccionamos el interruptor deseado :

Tensión nominal Vn = 4.16 kV

Tensión de Impulso Vi = 60 kV

Tensión de prueba Vp = 19 kV

Especificación del Interruptor 3 ( Planta CUMMINS 1250 kW) :

Teniendo como referencia las corrientes nominales de las plantas (calculadas en

la sección anterior) especificamos los interruptores así :

Corriente del Interruptor I = 2000 A

Corriente de cortocircuito Icc = 24.79 kA

(dato perteneciente al reporte de cortocircuito, anexo 4)

Page 149: Estudio de reestructuración de la central de generación y

151

Según el nivel de tensión del sistema, nos dirigimos a las tablas de especificación

de interruptores (anexo 6) y seleccionamos el interruptor deseado :

Tensión nominal Vn = 0.44 kV

Tensión de Impulso Vi = 20 kV

Tensión de prueba Vp = 10 kV

Especificación del Interruptor 4 ( Planta CUMMINS 1250 kW) :

Teniendo como referencia las corrientes nominales de las plantas (calculadas en

la sección anterior) especificamos los interruptores así :

Corriente del Interruptor I = 2000 A

Corriente de cortocircuito Icc = 24.82 kA

(dato perteneciente al reporte de cortocircuito, anexo 4)

Según el nivel de tensión del sistema, nos dirigimos a las tablas de especificación

de interruptores (anexo 6) y seleccionamos el interruptor deseado :

Tensión nominal Vn = 0.44 kV

Tensión de Impulso Vi = 20 kV

Tensión de prueba Vp = 10 kV

Page 150: Estudio de reestructuración de la central de generación y

152

4.1.13 Especificación de Interruptores. Alternativa 2

Para la segunda alternativa tomamos del sistema actual de Puerto Inírida las dos

máquinas que en la actualidad funcionan colocando una máquina Cummins nueva

con las mismas especificaciones técnicas de las dos exitentes, se debe tener en

cuenta que hay que adquirir un nuevo interruptor para la generación de la planta.

A continuación se darán las especificaciones de todos los interruptores, incluyendo

el nuevo interruptor (planta 1 CUMMINS), teniendo como base los análisis de

cortocircuito presentados en la sección 4.1.4.2.2.

Especificación del Interruptor 1 ( Planta CUMMINS 1250 kW) :

Teniendo como referencia las corrientes nominales de las plantas (calculadas en

la sección anterior) especificamos los interruptores así :

Corriente del Interruptor I = 2000 A

Corriente de cortocircuito Icc = 18.44 kA

(dato perteneciente al reporte de cortocircuito, anexo5)

Según el nivel de tensión del sistema, nos dirigimos a las tablas de especificación

de interruptores (anexo 6) y seleccionamos el interruptor deseado :

Tensión nominal Vn = 0.44 kV

Tensión de Impulso Vi = 20 kV

Tensión de prueba Vp = 10 kV

Page 151: Estudio de reestructuración de la central de generación y

153

Especificación del Interruptor 2 ( Planta CUMMINS 1250 kW) :

Teniendo como referencia las corrientes nominales de las plantas (calculadas en

la sección anterior) especificamos los interruptores así :

Corriente del Interruptor I = 2000 A

Corriente de cortocircuito Icc = 22.39 kA

(dato perteneciente al reporte de cortocircuito, anexo 5)

Según el nivel de tensión del sistema, nos dirigimos a las tablas de especificación

de interruptores (anexo 6) y seleccionamos el interruptor deseado :

Tensión nominal Vn = 0.44 kV

Tensión de Impulso Vi = 20 kV

Tensión de prueba Vp = 10 kV

Especificación del Interruptor 3 ( Planta CUMMINS 1250 kW) :

Teniendo como referencia las corrientes nominales de las plantas (calculadas en

la sección anterior) especificamos los interruptores así :

Corriente del Interruptor I = 2000 A

Corriente de cortocircuito Icc = 21.51 kA

(dato perteneciente al reporte de cortocircuito, anexo 5)

Page 152: Estudio de reestructuración de la central de generación y

154

Según el nivel de tensión del sistema, nos dirigimos a las tablas de especificación

de interruptores (anexo 6) y seleccionamos el interruptor deseado :

Tensión nominal Vn = 0.44 kV

Tensión de Impulso Vi = 20 kV

Tensión de prueba Vp = 10 kV

4.1.14 Especificación de Barras. Alternativa 1

El sistema Diesel en Puerto Inirida, esta conectado a una barra una con una

tensión de 13.2 kV.

Barra 13.2 kV :

Según reportes de cortocircuito (anexo 4), tenemos la corriente :

Icc = 0.7572 A

In = 267 A

Id = 1.2 * 267 A = 320 A

Nos dirigimos a la tabla para especificar barras (anexo 7).

Barra de Aluminio con las siguientes características :

I = 392 A

S = 99.1 mm2

Page 153: Estudio de reestructuración de la central de generación y

155

δal = 80 A/mm2 temperatura = 180°C

( ver anexo 8 )

I"KD = 99.1 mm2 * 80 A/mm2

I"KD = 7928 A = 7.928 kA

Para verificar si esta barra resiste la corriente que circula por ella, realizamos una

relación entre la corriente de corto y la corriente de corto de diseño. Esta relación

debe ser mayor a 4 veces para brindar confiabilidad a la barra diseñada.

I"KD / I"K = 7.928 KA / 0.7572 kA

I"KD / I"K = 10 veces > 4 veces

4.1.15 Especificación de Barras. Alternativa 2

El sistema Diesel en Puerto Inirida, esta conectado a una barra una con una

tensión de 13.2 kV.

Barra 13.2 kV :

Según reportes de cortocircuito (anexo 5), tenemos la corriente :

Icc = 0.661 A

In = 204 A

Id = 1.2 * 204 A = 245 A

Page 154: Estudio de reestructuración de la central de generación y

156

Nos dirigimos a la tabla para especificar barras (anexo 7).

Barra de Aluminio con las siguientes características :

I = 272 A

S = 59.5 mm2

δal = 80 A/mm2 temperatura = 180°C

( ver anexo 8 )

I"KD = 59.5 mm2 * 80 A/mm2

I"KD = 4760 A = 4.760 kA

Para verificar si esta barra resiste la corriente que circula por ella, realizamos una

relación entre la corriente de corto y la corriente de corto de diseño. Esta relación

debe ser mayor a 4 veces para brindar confiabilidad a la barra diseñada.

I"KD / I"K = 4.760 kA / 0.661 kA

I"KD / I"K = 7 veces > 4 veces

Page 155: Estudio de reestructuración de la central de generación y

157

4.1.16 Análisis de Costos de las Alternativas de Generación Diesel en Puerto

Inírida

En esta sección de nuestro estudio, llevaremos a cabo el análisis de costos de la

central de generación de la ciudad de Puerto Inírida teniendo en cuenta aspectos

que van desde las inversiones iniciales, hasta sus costos de operación, y

mantenimiento.

Para ello partiremos del hecho de que el servicio de energía se prestará de modo

continuo, o sea que tendremos que utilizar la curva de la figura 4.3, porque se

presentará consumo de energía en las horas en las cuales actualmente se efectúa

racionamiento.

Sabemos por información suministrada por la empresa que opera la central de

generación de Puerto Inírida que actualmente el consumo de combustible es de

1777 gal/día generando 17 horas diarias. Un valor muy similar lo obtenemos de

acuerdo al siguiente cálculo:

85gal/h*2*24h/día*0.44 = 1795.2gal/día

donde tenemos que 85gal/h es el consumo por hora de un generador Cummins, 2

son las plantas que abastecen de energía al sistema (son de las mismas

características), 24h/día son las horas de un día y 0.44 es el factor de planta de la

central en estos momentos (ver tabla 4.3). entonces tenemos que el consumo de

combustible si se genera 24 horas al día será:

85gal/h*2*24h/día*0.593 = 2419.44gal/día

El costo del ACPM es de $3200 por galón según información suministrada por la

electrificdora. Si usamos una tasa de cambio de 2160$/US$ entonces tendremos

que el combustible tiene un costo en dólares de US$ 1.48 por galón. Con esta

Page 156: Estudio de reestructuración de la central de generación y

158

información procedemos a calcular el costo anual del combustible que consumirá

la central trabajando 24 horas:

2419.19gal/día*1.48US$/gal*365 = 1306981.49 US$

4.1.16.1 Costo de la Alternativa 1.

En esta sección se realizará la descripción de la inversión inicial que se debe

hacer para poder implementar este esquema de generación. A continuación

presentamos un listado de equipos que se deben de instalar. Estos equipos llevan

implícito el costo del transporte hasta el sitio de la obra y su respectivo costo de

instalación e ingeniería del proyecto:

• Compra de Generador de 1500 KW US$ 420000

• Reparación de Generador de 900 KW US$ 201600

• 6 Celdas de 13.2 kV US$ 95220

TOTAL US$ 716820

Cada celda incluye:

Ø 1 interruptor motorizado

Ø 3 transformadores de corriente

Ø 2 transformadores de potencial

Ø 1 equipo de medida

Ø Relés 46, 49, 50, 51

Ø 1 barra de 13.2 KV

El siguiente paso consiste en determinar los costos de mantenimiento de esta

alternativa. Para hacer más fácil el análisis consideraremos que solamente dos

grupos trabajaran durante todo el año sin parar, de modo tal que logremos

establecer las fechas en que se realizaran los respectivos mantenimientos. Para

Page 157: Estudio de reestructuración de la central de generación y

159

tal fin nos guiaremos por la metodología de generación diesel del Icel la cual

establece que para determinar los costos de los mantenimientos se determinaran

como un porcentaje del costo total del equipo así :

1. Mantenimiento para grupos electrógenos de Potencia Prime (Cummins)

Ø Mantenimiento preventivo de 3000 horas: 7% del costo de la unidad

Ø Mantenimiento preventivo de 6000 horas: 15% del costo de la unidad

Ø Mantenimiento programado de 12000 horas: 35% del costo de la unidad

Ø Mantenimiento correctivo de 20000 horas: 80% del costo de la unidad

2. Mantenimiento para grupos electrógenos de Servicio Continua (Issotta)

Ø Mantenimiento preventivo de 3000 horas: 7% del costo de la unidad (CU)

Ø Mantenimiento preventivo de 6000 horas: 15% CU

Ø Mantenimiento programado de 12000 horas: 35% CU

Ø Mantenimiento preventivo de 15000 horas: 7% CU

Ø Mantenimiento preventivo de 21000 horas: 15% CU

Ø Mantenimiento programado de 24000 horas: 35% CU

Ø Mantenimiento correctivo de 40000 horas: 80%

Page 158: Estudio de reestructuración de la central de generación y

160

El resultado de este análisis lo encontramos en la tabla 4.6 donde además se

involucra el costo del combustible teniendo en cuenta la proyección del capítulo

tres. Esos datos se muestran en valor presente (se utilizo 9% como tasa de

descuento).

TABLA 4.6 COSTO DE OPERACIÓN Y MANTENIEMIENTO

ALTERNATIVA 1

AÑO COSTO DE MANTENIMIENTO MUS$ TOTAL VPCOSTO DEL

ACPMTOTAL POR

AÑO G CUMMINS G ISSOTTA MILES US$ VP MILES US$ VP MILES US$0 52,80 92,40 145,20 1306,74 1451,941 84,00 147,00 211,93 1233,84 1445,762 244,00 92,40 283,15 1165,03 1448,183 84,00 147,00 178,38 1100,03 1278,414 200,80 365,40 401,10 1038,60 1439,705 120,00 63,00 118,93 980,65 1099,586 192,00 176,40 219,64 925,88 1145,527 52,80 63,00 63,34 874,27 937,618 84,00 147,00 115,92 825,44 941,359 244,80 365,40 280,94 779,44 1060,3810 84,00 147,00 97,57 735,98 833,5611 200,80 92,40 113,62 694,88 808,5012 120,00 147,00 94,92 656,11 751,0313 192,00 336,00 172,23 619,61 791,8414 52,80 42,40 28,48 584,91 613,3915 48,00 147,00 53,53 552,29 605,81

2578,87 14073,70 16652,57

4.1.16.2 Costo de Alternativa 2.

Igual que en la sección anterior, presentamos la lista de equipos que se deben de

instalar:

• Generador de 1250 kW (nuevo) US$ 240000

• Transformador de 1600 kVA US$ 21275

• 6 Celdas de 13.2 kV US$ 95220

TOTAL US$ 356495

Page 159: Estudio de reestructuración de la central de generación y

161

Las celdas son iguales a las descritas en la sección 4.1.16.1

Para calcular los costos de mantenimiento se usó la metodología descrita en la

sección anterior.

TABLA 4.7 COSTO DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

ALTERATIVA 2

AÑO COSTO DE MANTENIMIENTO MUS$ TOTAL VP COSTO DEL ACPMTOTAL PORAÑO

G CUMMINS G CUMMINS MILES US$ VP MILES US$ VP MILES US$0 52,80 52,80 105,60 1306,74 1412,341 84,00 84,00 154,13 1233,84 1387,962 244,00 244,00 410,75 1165,03 1575,783 84,00 84,00 129,73 1100,03 1229,764 200,80 200,80 284,49 1038,60 1323,105 120,00 120,00 155,98 980,65 1136,626 192,00 192,00 228,94 925,88 1154,827 52,80 52,80 57,76 874,27 932,038 84,00 84,00 84,30 825,44 909,749 244,80 244,80 225,41 779,44 1004,86

10 84,00 84,00 70,96 735,98 806,9511 200,80 200,80 155,62 694,88 850,5012 120,00 120,00 85,32 656,11 741,4313 192,00 192,00 125,26 619,61 744,8714 52,80 52,80 31,60 584,91 616,5015 48,00 48,00 26,35 552,29 578,64

2332,21 14073,70 16405,91

Page 160: Estudio de reestructuración de la central de generación y

162

4.1.17 Selección de la Alternativa

Después de haber propuesto dos alternativas de optimización para el sistema

actual de generación en Puerto Inírida (esquemas de generación descritos en la

sección 4.1.2) y de haber realizado en estas un análisis conceptual de sus

beneficios y deficiencias respectivas, al igual que estudios eléctricos tales como

flujos de carga y análisis de cortocircuito, se determinó que la opción más

aconsejable tanto técnica como económica es la alternativa dos, que propone

utilizar los dos generadores existentes con un tercero de iguales características.

Esta decisión se tomo partiendo del hecho de que no es aconsejable tener cuatro

generadores instalados en la central, puesto que, como quedó demostrado

ampliamente, solo se pueden trabajar dos generadores en forma simultanea en la

opción 1, debido a que sus potencias son muy grandes respecto a la carga actual.

Además si observamos el análisis de costos de las alternativas de generación

donde se describe el costo de cada una de las opciones notamos que la

alternativa uno es más costosa que la dos tanto su inversión inicial, como en lo

referente a la operación y mantenimiento.

Es por todas estas circunstancias que recomendamos implementar la alternativa

dos.

Page 161: Estudio de reestructuración de la central de generación y

163

5. DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN

En este capítulo efectuaremos un estudio acerca del sistema de distribución de

energía eléctrica de Puerto Inírida. Para tal fin hemos dividido esta parte de

nuestro trabajo en dos. Inicialmente adelantaremos un análisis técnico sobre la

infraestructura de distribución existente, en el cual identificaremos los posibles

parámetros que puedan estar fuera de lo establecido de acuerdo con las normas

de diseño que aplican para esta región del país. Las referenciadas son las

“Normas de Subtransmisión y Distribución” elaboradas por el ICEL (actual IPSE).

En concordancia con los resultados obtenidos en la valoración técnica de la red,

se procederá a formular estrategias a seguir para la reestructuración del sistema

de distribución de la ciudad.

De igual modo, cada una de las secciones mencionadas anteriormente se

subdividirá en el análisis de media y baja tensión.

5.1 VALORACIÓN DEL SISTEMA ACTUAL

Básicamente la valoración que se efectuará, tiene por objeto calcular las pérdidas

de energía que se presentan en el sistema, así como también determinar la

regulación en todos los extremos de la red, tanto en los circuitos de media como

de baja tensión.

Otro aspecto a tratar en esta sección, es valorar la calidad en la distribución de

energía, de acuerdo a parámetros de continuidad y confiabilidad en el suministro

del servicio, para de este modo, contar con una herramienta sólida, que nos

permita en la sección posterior formular una estrategia a seguir, que mejore esta

problemática, con el criterio del mínimo costo.

Page 162: Estudio de reestructuración de la central de generación y

164

5.1.1 Descripción de la Red de Distribución de Media Tensión

Los circuitos primarios constituyen la parte del sistema de distribución que

transporta la energía entre la subestación y los primarios de los transformadores

de distribución, que en nuestro caso es la misma subestación elevadora de la

central de generación diesel.

Los circuitos están formados por los alimentadores principales y sus ramales

laterales y sublaterales. Tanto los alimentadores principales como todos sus

ramales son trifásicos. Aunque a veces se acostumbra construir los ramales

laterales y sublaterales bifásicos, este no es el caso de la red en mención.

La red de distribución de la ciudad de Puerto Inírida está constituida por tres

circuitos, los cuales están montados en postería de 12 y 14 metros de altura, con

una tensión a la ruptura de 510Kgr y 750 Kgr, en su gran mayoría de concreto y

utilizando las estructuras 523, 533, 553 y 562, de acuerdo con las normas de

construcción de redes de distribución del ICEL. La totalidad de la red es trifásica

sin neutro y su conductor es Raven ACSR 1/0 AWG. La tensión de servicio de la

red es de 13.2 kV (en el anexo 1 planos 01-02 se aprecian los planos de la red

primaria existente).

A continuación presentamos una detallada descripción de cada uno de los

circuitos que componen la red de distribución primaria de la ciudad.

5.1.1.1 Circuito Número 1

TABLA 5.1 PARÁMETROS GENERALES DEL CIRCUITO 1

TENSIÓN DE SERVICIO 13.2 kV

LONGITUD TOTAL 8492 m

CONDUCTOR ACSR 1/0 AWG

POTENCIA INSTALADA TOTAL 1982.5 kVA

Page 163: Estudio de reestructuración de la central de generación y

165

TABLA 5.2 TRANSFORMADORES CIRCUITO 1

POTENCIA NOMINAL CANTIDAD

10 kVA 3

15 kVA 1

30 kVA 3

45 kVA 17

75 kVA 7

112.5 kVA 2

150 kVA 2

Total de Transformadores 35

TABLA 5.3 TIPO DE ESTRUCTURAS CIRCUITO 1

CODIGO ICEL CANTIDAD

523 58

533 29

553 21

562 36

Total de Estructuras 144

TABLA 5.4 ALUMBRADO PÚBLICO CIRCUITO 1

TIPO DE LUMINARIA CANTIDAD

SODIO A. P. 47

MERCURIO 11

Total de luminarias 58

Page 164: Estudio de reestructuración de la central de generación y

166

5.1.1.2 Circuito Número 2

TABLA 5.5 PARÁMETROS GENERALES CIRCUITO 2

TENSIÓN DE SERVICIO 13.2 kV

LONGITUD TOTAL 2660 m

CONDUCTOR ACSR 1/0 AWG

POTENCIA INSTALADA TOTAL 847.5 kVA

TABLA 5.6 TRANSFORMADORES CIRCUITO 2

POTENCIA NOMINAL CANTIDAD

30 kVA 2

45 kVA 5

75 kVA 4

112.5 kVA 1

150 kVA 1

Total de Transformadores 13

TABLA 5.7 TIPO DE ESTRUCTURAS CIRCUITO 2

CODIGO ICEL CANTIDAD

523 26

533 13

553 10

562 17

Total de Estructuras 66

Page 165: Estudio de reestructuración de la central de generación y

167

TABLA 5.8 ALUMBRADO PÚBLICO CIRCUITO 2

TIPO DE LUMINARIA CANTIDAD

SODIO A. P. 26

MERCURIO 0

Total de luminarias 26

5.1.1.3 Circuito Número 3

TABLA 5.9 PARÁMETROS GENERALES CIRCUITO 3

TENSIÓN DE SERVICIO 13.2 kV

LONGITUD TOTAL 3347m

CONDUCTOR ACSR 1/0 AWG

POTENCIA INSTALADA TOTAL 877.5 kVA

TABLA 5.10 TRANSFORMADORES CIRCUITO 3

POTENCIA NOMINAL CANTIDAD

30 kVA 1

45 kVA 6

75 kVA 6

112.5 kVA 2

Total de Transformadores 15

TABLA 5.11 TIPO DE ESTRUCTURAS CIRCUITO 3

CODIGO ICEL CANTIDAD

523 28

533 14

553 11

Page 166: Estudio de reestructuración de la central de generación y

168

562 18

Total de Estructuras 71

TABLA 5.12 ALUMBRADO PÚBLICO CIRCUITO 3

TIPO DE LUMINARIA CANTIDAD

SODIO A. P. 20

MERCURIO 8

Total de luminarias 28

FUENTE: ELECTRIFICADORA DEL GUAINÍA LA CEIBA S.A E.S.P

5.1.1.4 Parámetros de la Demanda

Con el objeto de caracterizar la demanda. se utilizan factores que identifican

diferentes propiedades de la demanda. Algunos de estos factores son:

Factor de demanda

Es la relación entre la demanda máxima del sistema y la carga total conectada al

sistema. Este factor indica el grado con el que toda la carga conectada se opera

simultáneamente.

Entonces, tenemos para Puerto Inírida:

kW máx : 1800 kW

kW instalados: 3707.5kW. Los kilovatios instalados son la sumatoria de todos los

transformadores de la ciudad.

Page 167: Estudio de reestructuración de la central de generación y

169

Entonces:

kW

kWFd

5.3707

1800=

Fd=0.485

Factor de utilización

Es la relación entre la demanda máxima del sistema y la capacidad nominal del

sistema. Este factor indica el grado al que un sistema se está utilizando con

respecto a su capacidad.

Analizando de un modo global el sistema de distribución de Puerto Inírida,

tendremos entonces, un factor de utilización igual al factor de demanda.

Factor de carga

Es la relación entre la carga promedio en cierto período de tiempo y la carga pico

durante este período de tiempo. Indica el grado con que la carga pico se sostiene

en el intervalo. Este factor se puede calcular con base en las curvas de duración

de carga.

Según la curva 4.2, la cual representa la demanda estimada diaria en Puerto

Inírida, tendremos un promedio de 802.8 kW. De igual modo en esta gráfica,

conocemos el valor de la carga pico diaria, el cual es de 1800 kW; entonces, con

estos datos podemos calcular el factor de carga, cuyo resultado es el siguiente:

Page 168: Estudio de reestructuración de la central de generación y

170

Fcarga = 0.446

Se debe de tener bastante cuidado al aplicar las fórmulas, de modo tal que se

utilicen tanto en el numerador, como en el denominador las mismas unidades, o

sea que si se trabaja con kVA , no se utilicen kW o viceversa.

Factor de pérdidas

Es la relación entre las pérdidas de potencia promedio y las pérdidas de potencia

pico, durante un período de tiempo. Da una indicación del grado con el cual las

pérdidas durante la carga pico se mantienen a través del período de tiempo

considerado. Este factor se puede calcular con base en las curvas de duración de

pérdidas.

Otra manera de visualizar el factor de pérdidas es a través del término horas

equivalentes. Estas se definen como el número de horas por día, semana, mes o

año de carga pico para dar el mismo kW de pérdidas producidas por la carga real

durante el mismo período de tiempo.

En muchos casos es útil conocer la relación que pueda existir entre el factor de

carga y el factor de pérdidas. Sin embargo, es importante tener en cuenta que las

pérdidas deben calcularse, de la manera más precisa posible con base en las

curvas de carga y en estudios de flujos de carga en donde se represente

adecuadamente la carga, su característica en el tiempo y los elementos del

sistema.

De acuerdo con las definiciones, el menor valor del factor de pérdidas es el

cuadrado del factor de carga y su máximo valor es igual al del factor de carga.

Entre estos dos valores, dependiendo de la forma de la curva de demanda, se

sitúa en el valor real del factor de pérdidas.

Page 169: Estudio de reestructuración de la central de generación y

171

5.1.1.5 Calidad de la Tensión y Regulación

Calidad de la tensión

El nivel de tensión con el cual se suministra energía a un usuario debe tener las

siguientes características:

Ninguna distorsión de la onda, libre de ruido, magnitud constante, frecuencia

constante y debe tener continuidad, es decir, no debe presentarse interrupciones

de pequeña o larga duración, en donde la confiabilidad es un problema superado y

la calidad de la potencia eléctrica se identifica principalmente con la calidad de la

tensión.

Tensión en estado estable

Prácticamente todos los equipos están diseñados para operar normalmente dentro

de un rango de tensión de estado estable, teniendo en cuenta el perfil de

tensiones en alimentadores desde las subestaciones. La magnitud de las caídas

de tensión o regulación permitida debe estar coordinada con los rangos de

operación de los equipos y las empresas electrificadoras deben respetar los

límites impuestos para permitir la operación normal de los equipos y evitar daños y

perjuicios a los usuarios.

La figura 5.1 muestra los rangos de compatibilidad de tensión en estado estable

para los sistemas de potencia y las cargas de los usuarios establecidos por la

norma ANSI C84.1-1989. En esta figura pueden apreciarse los márgenes de

compatibilidad establecidos.

Page 170: Estudio de reestructuración de la central de generación y

172

RANGOS DE COMPATIBILIDAD DE TENSIÓN EN ESTADO ESTABLE

Transitorios de tensión

Las variaciones transitorias de la tensión son problemas frecuentes para los

usuarios con equipos sensibles o con computadores. Estos transitorios pueden ser

causados dentro de la instalación misma del usuario por la maniobra de equipos

en la red o de otros usuarios.

La mayoría de los problemas con los equipos sensibles en voltajes no están

relacionados con los niveles de regulación de estado estable, sino con

perturbaciones severas de tipo transitorio, momentáneo, cambios rápidos en la

tensión (flicker), ó, interrupciones momentáneas. La figura 5.2 muestra los límites

de tolerancia típicos de computadores o equipos con memoria, para varios tipos

de perturbaciones eléctricas, de acuerdo con las recomendaciones de la Norma

IEEE Std 1100-1992. La envolvente que se muestra en la figura representa los

límites que puede soportar un computador sin sufrir daños o mal funcionamiento.

La parte sombreada muestra el área en la cual el funcionamiento de los

computadores puede ser susceptible a la tensión.

FIGURA5.1

Page 171: Estudio de reestructuración de la central de generación y

173

Las cargas sensibles requieren también que la frecuencia se mantenga dentro de

ciertos límites (±0.5 Hz), tasa de variación de la frecuencia menor de 1Hz/seg.,

distorsión de la onda dentro del 5% y el desbalance de tensión menor que 3%.

LÍMITES DE TOLERANCIA DE TENSIÓN DE EQUIPOS ELECTRÓNICOS

5.1.1.6 Continuidad del Servicio

La calidad del servicio en cuanto a continuidad es el resultado de diferentes

características del sistema que se pueden definir así:

Confiabilidad

Medida de la eficiencia de un sistema de potencia para suministrar la electricidad

en todos los puntos de utilización con estándares aceptables de calidad y en la

cantidad deseada. Esta confiabilidad puede describirse en términos de sus

atributos de adecuación, seguridad, integridad y reposición del servicio.

FIGURA 5.2

Page 172: Estudio de reestructuración de la central de generación y

174

Disponibilidad

Este término se aplica tanto al comportamiento de un componente individual

como para el sistema. La disponibilidad se define como la fracción promedio de

tiempo que un componente o un sistema está en servicio satisfactoriamente

cumpliendo con su función asignada. Una definición equivalente es la probabilidad

que un componente o sistema esté en servicio.

Adecuación

Medida de la eficiencia de un sistema para suministrar la potencia y la energía

requeridas por los usuarios dentro de los límites de tensión y capacidad nominal

de los equipos, teniendo en cuenta las salidas programadas y forzadas de los

componentes del sistema y las restricciones operativas de seguridad impuestas

por la operación.

Seguridad

Medida de la eficiencia de un sistema de potencia para responder

adecuadamente ante perturbaciones súbitas tales como, corto circuitos o salidas

imprevistas de componentes.

Reposición del servicio

Es la medida de la eficiencia de un sistema de potencia para reconectarse

apropiadamente y restaurar el servicio después de una interrupción.

5.1.1.7 Identificación de la Calidad del Nivel de la Tensión y la Continuidad o

Confiabilidad del Servicio

Algunos de los atributos de la calidad de potencia o continuidad del servicio, más

comúnmente utilizados, se pueden definir así:

Page 173: Estudio de reestructuración de la central de generación y

175

Interrupción

Se define como la pérdida del servicio de uno o más usuarios. Una interrupción es

el resultado de una o más salidas de componentes.

Interrupción momentánea

Es una interrupción del servicio eléctrico de duración limitada al período requerido

para restaurar el servicio automáticamente, o por operaciones de maniobra

manual supervisada en subestaciones atendidas. Estas operaciones deben

completarse en un tiempo no mayor de cinco (5) minutos. Aunque la duración

momentánea puede variar de una empresa a otra, se considera adecuada entre

uno y cinco minutos. El IEEE (" Standar General Requirements for Dry-Type

Distribution and Power Transformers", ANSI C57.12-01-1979), recomienda un

tiempo de cinco (5) minutos. Por ejemplo, si un reconector opera dos veces y

luego se mantiene, este evento puede considerarse como una interrupción

momentánea.

Interrupción permanente o sostenida

Es una interrupción que resulta de condiciones directamente asociadas con un

componente que debe sacarse de servicio inmediatamente, ya sea por operación

automática o manual y también, una interrupción causada por operación indebida

de un equipo o por error humano.

Interrupción programada

Es una interrupción deliberada, realizada con fines de realizar labores de

mantenimiento (preventivo o correctivo) y construcción. Antes de efectuar este tipo

de suspensiones, se debe dar aviso a los usuarios por lo menos con 48 horas de

anticipación. La clave para determinar si una interrupción debe clasificarse como

programada o forzada es: Si es posible aplazar la interrupción para un momento

posterior conveniente, ésta se considera programada; de otra manera, la

interrupción es forzada.

Page 174: Estudio de reestructuración de la central de generación y

176

Salida

Una salida se define como el estado de un componente cuando no está

disponible para ejecutar su función debido a un evento asociado directamente con

este componente. Una salida puede o no causar una interrupción de servicio a un

usuario dependiendo de la configuración del sistema.

Duración de la interrupción

Es el período comprendido desde la iniciación de una interrupción al usuario hasta

que el servicio es restablecido a dicho usuario.

Usuario

Un usuario es un individuo, firma u organización quien contrata un servicio de

energía eléctrica en un sitio, bajo determinada tarifa, clasificación, contrato y

programación. Si el servicio se lleva a un usuario en más de un sitio, cada

localización debe considerarse como un usuario por separado.

Energía no suministrada

Es la energía que los usuarios dejan de recibir debido a una interrupción.

Sobretensiones

Una sobretensión es una tensión transitoria de muy corta duración y gran

magnitud. Generalmente son causadas por operaciones de maniobra o por

descargas atmosféricas.

Los transitorios pueden originarse en el circuito primario, pasar por los

transformadores de distribución y surgir en el circuito secundario, afectando las

cargas sensitivas directamente.

Page 175: Estudio de reestructuración de la central de generación y

177

Bajo nivel de tensión

Se presenta cuando la onda de tensión tiene un valor inferior al límite nominal de

la tensión. Sus causas pueden ser: sobrecargas, mala instalación, malas

conexiones en descensos del nivel de tensión.

Elevación momentánea del nivel de tensión

Cuando en un sistema trifásico, por ejemplo, sucede una falla en una fase, las

otras dos fases elevan su tensión línea-neutro cerca de un 20%; este aumento en

estado estable es considerado como una elevación del nivel de tensión, el cual

usualmente tiene una duración de algunos segundos, hasta minutos. También, se

le denomina sobretensión o sobretensión temporal.

Elevación del nivel de tensión

Es la tensión en estado estable, generado con una amplitud mayor a los límites

establecidos. Usualmente son el resultado de inadecuadas prácticas de

regulación.

Flicker

Impresión de inestabilidad de sensación visual, inducida por un estímulo de luz,

cuya luminancia o división espectral cambia con el tiempo, causadas por las

variaciones de tensión.

Picos de voltajes ("spike")

Un pulso unidireccional de relativa corta duración.

Armónicos

Son componentes en la onda de 60Hz que causan distorsión debido a las

frecuencias diferentes a la fundamental. Idealmente, la tensión suministrada a los

equipos y la corriente de carga resultante son ondas perfectas, sin embargo, en la

práctica nunca lo son.

Page 176: Estudio de reestructuración de la central de generación y

178

Interarmónicos

Son componentes de frecuencia que no son múltiplos de la frecuencia

fundamental y por lo tanto, no pueden llamarse armónicos.

Simplicidad de operación

La simplicidad de la operación es muy importante en la seguridad y confiabilidad

de la operación y en el mantenimiento del sistema de distribución.

Mantenimiento

El sistema de distribución debería incluir requerimientos de mantenimiento

preventivo en el diseño. La accesibilidad y disponibilidad para la inspección y

reparación con seguridad son importantes consideraciones en la selección de

equipos.

Flexibilidad

La flexibilidad de un sistema eléctrico significa la adaptabilidad para el desarrollo y

expansión así como los cambios para cumplir los requerimientos durante la vida

útil de la red.

Estas definiciones están de acuerdo con las establecidas por el diccionario del

IEEE y la norma IEEE (" Standar General Requirements for Dry-Type Distribution

and Power Transformers", ANSI C57.12-01-1979).

5.1.1.8 Cálculo de la Regulación de la Red Primaria

Para elaborar el cálculo de la regulación de la red primaria, consideramos que esta

es una línea corta, debido a su longitud y tensión de servicio, esto quiere decir,

que al elaborar su diagrama equivalente, no es necesario tener en cuenta la

reactancia capacitiva. Sin embargo, debemos tener en cuenta las demás variables

que se consideran en el diseño típico de una línea corta. A continuación

Page 177: Estudio de reestructuración de la central de generación y

179

presentamos los parámetros que se tienen en cuenta para elaborar el cálculo de la

regulación.

Resistencia

De acuerdo con los conceptos fundamentales contenidos en el Standard

Dictionary de la IEEE podemos definir la resistencia eléctrica (R) como: “la

resistencia de un elemento, dispositivo, rama, red o sistema, es el factor por el

cual hay que multiplicar la corriente cuadrática media de conducción para obtener

la pérdida en potencia correspondiente por disipación de calor o por otra radiación

permanente o pérdida de energía electromagnética del circuito”.

El valor de resistencia por unidad de longitud, de acuerdo al calibre del conductor

y del material del que está fabricado, lo podemos encontrar en el anexo 9 y con la

longitud de la línea, podemos calcular la resistencia.

R=r*L

En donde:

R: Resistencia total en Ω

R: Resistencia unitaria, expresada en Ω/Km

L: Longitud de la línea en kilómetros.

Como sabemos que toda la red primaria está construida con un conductor Raven

ACSR 1/0 AWG, entonces, tenemos que r es igual a 0.551 Ω/Km (0.888 Ω/milla) a

una temperatura de 250C.

Page 178: Estudio de reestructuración de la central de generación y

180

Reactancia Inductiva

Se llama a ωL reactancia inductiva del inductor; se mide en ohms y es una medida

de la oposición que el inductor presenta al paso de una corriente senoidal. La

reactancia inductiva de una línea está dada por:

XL=2.022E-3*f*ln(Deq/Ds)*L Ω

Donde:

XL: Reactancia inductiva por fase (Ω)

Deq: Media geométrica de las distancias entre conductores a, b y c (ft)

F: frecuencia

Deq=(Dab*Dac*Dcb)1/3

De acuerdo con lo anterior, procedemos a calcular la distancia media geométrica

de los conductores de la red primaria de acuerdo a las estructuras utilizadas, las

cuales son en forma de bandera y tienen una distancia entre conductores de 0.8

metros así:

Entonces: a 0.8 m b 0.8 m c

2.62 ft 2.62ft

Page 179: Estudio de reestructuración de la central de generación y

181

ftD

mD

D

D

DDDD

eq

eq

eq

eq

cbacabeq

⋅=

⋅=

=

=

=

30687.3

0079.1

024.1

8.0*6.1*8.0

**

3

3

3

DS: Radio medio geométrico del conductor (RMG) (ft)

La ecuación que define la inductancia reactiva puede descomponerse en dos

partes, así:

XL = (XLP + XLE) * L

Donde:

XLP : Reactancia propia a 1pie de separación = 2.022E-3 *f* ln(DS)-1 Ω/milla

XLE : Reactancia debida al espaciamiento = 2.022E-3*f* ln(Deq) Ω/milla

F: frecuencia

El valor de XLP se encuentra en las tablas de características de conductores del

anexo 9 al igual que el valor de XLE, donde está tabulado de acuerdo a la

distancia.

Page 180: Estudio de reestructuración de la central de generación y

182

Entonces tenemos que para la red de distribución de Puerto Inírida, el valor de la

reactancia inductiva será:

KmX

millaX

X

L

L

L

/4979.0

/801756.0

00446.030687.3

ln6010022.2 3

Ω⋅=

Ω⋅=

⋅××= −

Cálculo de la Regulación en un Tramo

En cada tramo de un circuito, la regulación de tensión está dada por la expresión:

Donde:

V%: Regulación de tensión en porcentaje

I: Fasor de corriente a través del tramo

L: Longitud del tramo

Z: Impedancia del tramo por unidad de longitud

Vf: Tensión en el terminal receptor

Vi: Tensión en el terminal emisor

Tomando como base el fasor de voltaje Vf y suponiendo una corriente inductiva

retrasada con relación a Vf en un ángulo f, el diagrama fasorial es el indicado en la

figura 5.3.

Page 181: Estudio de reestructuración de la central de generación y

183

DIAGRAMA FASORIAL

En donde:

Para los valores de resistencia, reactancia y factor de potencia usuales en redes

de distribución, el segundo término de la ecuación anterior tiene un orden de

magnitud despreciable, con relación al primer término, debido a que se considera

como una línea corta, por lo que puede ser excluido de la ecuación, quedando

entonces la ecuación simple:

De donde:

Teniendo en cuenta que los límites de regulación permisibles en circuitos de

distribución son bajos, no se comete un error grande al utilizar la tensión nominal

FIGURA 5.3

Page 182: Estudio de reestructuración de la central de generación y

184

de la red (Vnom), en la ecuación anterior en lugar de Vf correspondiente a cada

uno de los nodos del circuito, de donde:

Reemplazando en la anterior ecuación la corriente por los kVA equivalentes se

tiene:

Teniendo en cuenta que para un factor de potencia dado, los términos entre

paréntesis de las ecuaciones anteriores son constantes para un mismo calibre y

disposición física de los conductores, se puede concluir que:

Donde la constante k, además de depender de los parámetros anteriores, también

depende de la tensión nominal de operación y la temperatura, donde:

k es:

2)10(

cos

kV

senxrk L φφ +

=

En donde:

L

Xx L

L =

El valor de xL es la reactancia inductiva del conductor sin tener en cuenta la

longitud del circuito.

Basándonos en las fórmulas anteriores, podemos deducir que la constante k del

conductor Raven 1/0 ACSR AWG utilizado en la red primaria de Puerto Inírida es:

Page 183: Estudio de reestructuración de la central de generación y

185

4293.4

2.13105267.04979.085.0551.0

2

−=

××+×

=

Ek

k

Después de obtener la constante de regulación del conductor Raven 1/0 ACSR

AWG el cual constituye la totalidad de la red primaria, procedemos a calcular la

regulación de cada uno de los tramos de los tres circuitos que componen la red de

media tensión de acuerdo con lo expresado en párrafos anteriores. Los

respectivos resultados de este análisis, se encuentran en las tablas del anexo 10.

Analizando los resultados de regulación de tensión de la red primaria,

encontramos que el máximo valor de regulación se encuentra en el extremo

denominado 42 del circuito 1 (ver diagrama unifilar que se presenta a continuación

y anexo 10), el cual tiene una regulación de 1.083% proyectándola a 15 años. Si

tenemos en cuenta que este es el punto de la red primaria donde su regulación es

mayor, entonces podemos concluir que la red primaria no presenta problema

alguno en cuanto a variaciones de tensión se refiere, de acuerdo a lo establecido

en las Normas de Procedimiento Para Diseño ICEL, en donde se presenta un

rango límite de regulación de tensión para redes primarias, el cual está fijado en

3%.

5.1.1.9 Cálculo de Pérdidas.

Las pérdidas de la red de distribución trifásica se calculan con la siguiente

expresión :

RIPP23=

Donde:

I : corriente

R : Resistencia, a 25°C

Page 184: Estudio de reestructuración de la central de generación y

186

El cálculo de las pérdidas de potencia activa de cada tramo de la red primaria se

encuentran en el anexo 11, en donde tenemos que la suma total de pérdidas de

potencia de cada circuito es:

TABLA 5.13 PÉRDIDAS DE POTENCIA EN LA RED PRIMARIA

CIRCUITO PÉRDIDAS kW % PÉRDIDAS (PPERD /PINST)*100

1 6,783 0,37

2 1,614 0,19

3 0,658 0,10

De la tabla anterior podemos deducir que las pérdidas totales de la red primaria

son en promedio del 0.22% y suman en total 9.055 kW. Esto quiere decir que la

red tampoco presenta pérdidas que estén fuera de las consideraciones de diseño

de las Normas de Procedimiento Para Diseño del ICEL, las cuales imponen un

tope máximo del 3%.

5.1.1.10 Resultados de la Evaluación de la Red Primaria

Después de realizar la evaluación de la red primaria de Puerto Inírida, podemos

concluir que esta no presenta ningún inconveniente en cuanto a variaciones de

tensión se refiere. Respecto a las pérdidas de potencia activa, observamos que

son bastante pequeñas, situación que repercute favorablemente en las pérdidas

de energía, las cuales no se analizan en esta sección, porque a simple vista se

aprecia que son insignificantes respecto al sistema total de media tensión de la

ciudad (estas pérdidas de energía son de 144.88 kWh/día ).

Page 185: Estudio de reestructuración de la central de generación y

187

5.1.2 Descripción de la Red de Distribución de Baja Tensión

Los circuitos secundarios constituyen la parte del sistema de distribución que

transporta la energía desde el secundario de los transformadores de distribución a

los usuarios residenciales y eventualmente a cargas consideradas especiales, tal

como se detallará más adelante.

La red de baja tensión, es la encargada de suministrar el servicio eléctrico a los

1640 usuarios residenciales existentes actualmente en la Ciudad. Los

alimentadores secundarios están construidos en su totalidad con redes trifásicas,

incluyendo todos sus ramales.

La red de baja tensión de la ciudad de Puerto Inírida está constituida por los

alimentadores secundarios que se derivan de los respectivos transformadores de

cada uno de los tres circuitos existentes, los cuales están montados en postería de

concreto (en su gran mayoría) de 8 y 12 metros de altura, con una tensión a la

ruptura de 510Kgr y 750 Kgr, y utilizando las estructuras 610, 611, 612 y 614, de

acuerdo con las normas de construcción de redes de distribución del ICEL. La

totalidad de la red es trifásica con neutro y en algunos tramos, posee conductor

para alumbrado público. Los calibres de los conductores utilizados son los

Números 2 y 2/0 AL. La tensión de servicio de la red es de 208/120 V.

5.1.2.1 Topología de la Red Secundaria

La red secundaria de Puerto Inírida fue construida de acuerdo a los parámetros de

diseño del ICEL, los cuales recomiendan implementar el esquema radial, porque

este es el más común para redes de distribución secundaria. Esta configuración se

caracteriza por ser de fácil diseño, sencilla operación y es mucho más económica

que cualquier otra posible.

Page 186: Estudio de reestructuración de la central de generación y

188

La topología de la red actual se puede apreciar en su totalidad observando los

planos del anexo 1 plano 03-04.

5.1.2.2. Cálculo de Regulación de Tensión de la Red Secundaria Actual

Para llevar a cabo el cálculo de regulación en la red de distribución secundaria de

la ciudad, es necesario aplicar los mismos conceptos enunciados en la sección

anterior. La única diferencia en este cálculo, es que para obtener el valor de la

carga de diseño, esta se debe dividir por el factor de diversidad del siguiente

modo:

DIVERSFACkVA

USUARIOSNokVA INSTALADOSDISEÑO .

. ×=

Esta operación se debe de realizar por cada tramo de los circuitos de baja tensión.

Mientras que para calcular la carga de diseño en la red de media tensión, se

multiplica la carga instalada de cada circuito por el factor de demanda de este.

Los factores de diversificación que aplican para Puerto Inírida son los expuestos

en la curva c de diversificación de la demanda, puesto que la carga instalada por

usuario está en el rango de 0 a 3.999 kVA, el cual se encuentra en las Normas de

Subtransmisión y distribución de ICEL, o en las Normas Para la Presentación de

Proyectos de la Empresa de Energía de Cundinamarca.

De acuerdo con la información suministrada por la Empresa de Energía del

Guainía "La Ceiba S.A. E.S.P", en la ciudad de Puerto Inírida existen tres estratos,

los cuales varían en cuanto a su carga instalada. El estrato 1 tiene una potencia

instalada de 0.8 kVA y es el que corresponde a los habitantes de la parte

noroccidental de la ciudad. Los transformadores de esta zona están alimentados

en su totalidad por el circuito 3.

Page 187: Estudio de reestructuración de la central de generación y

189

El estrato 2 corresponde al resto de la ciudad, incluyendo la zona céntrica, el

puerto y la vía al aeropuerto; la potencia instalada para este estrato es de 1.5 kVA

y la potencia suministrada a cada transformador, proviene de los circuitos 1 y 2.

El estrato 3 corresponde a algunas cargas del sector comercial, industrial y estatal

de la ciudad; para ellos la carga instalada es de 2 kVA. La curva de factor de

diversificación de la demanda aparece en el anexo 12, con sus respectivas

proyecciones a 8 años, para calcular transformadores y a 15 años, para llevar a

cabo el dimensionamiento de la red.

Los cálculos de regulación de las redes de baja tensión de todos los

transformadores del sistema de distribución de la ciudad, aparecen en el anexo 13

están sus respectivos diagramas unifilares. A continuación, podemos observar un

resumen de los cálculos de regulación del anexo 13, en el cual podemos apreciar

cuales son los circuitos que tienen una regulación mayor a la establecida en las

Normas que rigen para las ciudades de las zonas no interconectadas. Esta

regulación no debe ser mayor al 5%.

TABLA 5.14 RESUMEN DE LOS CÁLCULOS DE REGULACIÓN CIRCUITO 1

TRANSFORMADOR POTENCIA NOMINAL kVA No USUARIOS CONDUCTOR REG. MÁXT1 45 39 No 2 1.97T2 30 29 No 2 4.20T3 45 53 No 2 4.33T4 45 54 No 2 6.10T5 45 42 2/0 4.46T7 45 49 2/0 6.65T8 75 50 No 2 4.46T9 45 39 2/0 5.13T10 45 46 No 2 2.89T11 45 40 2/0 3.19T12 75 53 2/0 3.99T15 45 47 No 2 8.60T27 75 57 2/0 3.08T28 45 51 No 2 7.90T29 75 30+C.E.30kVA No 2 3.67T31 75 64 No 2 4.32T33 45 34 No 2 3.62T34 75 37 2/0 4.00

Page 188: Estudio de reestructuración de la central de generación y

190

TABLA 5.15 RESUMEN DE LOS CÁLCULOS DE REGULACIÓN CIRCUITO 2

TRANSFORMADOR POTENCIA NOMINAL kVA No USUARIOS CONDUCTOR REG. MÁXIMAT1 75 30+C.E. 30kVA No 2 4.71T2 45 29 No 2 3.52T3 75 49 2/0 4.67T6 75 71 2/0 4.59T9 45 43 2/0 4.69T10 75 75 2/0 3.10T12 45 35 2/0 5.56

TABLA 5.16 RESUMEN DE LOS CÁLCULOS DE REGULACIÓN CIRCUITO 3

TRANSFORMADOR POTENCIA NOMINAL kVA No USUARIOS CONDUCTOR REG. MÁXT1 75 30+C.E. 30kVA 2 2.13T2 45 53 No 2 4.53T3 112.5 35+C.E. 70 kVA 2 4.53T4 75 78 2 3.62T5 45 48 2/0 3.50T6 45 83 2/0 6.62T7 30 56 2/0 1.60T9 75 56 2/0 4.00T10 75 49 No 2 3.46T11 75 75 2/0 6.83T12 30 53 2/0 3.75T13 45 71 No 2 3.62T14 45 53 No 2 3.41

Del circuito 1 los transformadores cuyos circuitos secundarios presentan

inconvenientes de regulación, son T4, T7, T15 y T28. En el circuito 2 encontramos

problemas en el transformador T12; en el circuito 3, los transformadores con altas

variaciones de tensión son T6 y T11.

En el anterior resumen no aparecen todos los transformadores de la red. Este

hecho se debe a que hay transformadores que solo alimentan a un usuario, o sea

que son cargas especiales, que tienen su transformador propio.

Page 189: Estudio de reestructuración de la central de generación y

191

5.1.2.3 Cargabilidad de los Transformadores

En esta sección analizaremos en que estado respecto a su carga, se encuentran

los transformadores de cada uno de los circuitos, para lo cual se ha elaborado la

siguiente tabla:

TABLA 5.17 ESTADO ACTUAL DE LOS TRANSFORMADORES

CIRCUITO No 1

TRAF CAPACIDAD(kVA)

NoUSU

CARGAA.P. kVA

OTRASCARGAS kVA

CARGA(kVA)

CARGAreal/inst

AÑOREP

OBSERVACIONES

T1 45 39 5 45.3467 1.00770 0 Sobrecargado

T2 30 29 5 27.6723 0.92241 3

T3 45 44 51.1982 1.30285 -1 Sobrecargado

T4 45 54 43.9811 0.97736 1

T5 45 42 5 41.2109 0.91580 3

T6 150 1 150 90.0000 0.60000 C. E. Hospital

T7 45 49 39.8130 0.88473 4

T8 75 50 5 45.0301 0.60040 18

T9 45 39 5 33.2500 0.73889 11

T10 45 46 45.8142 1.01809 -1 Sobrecargado

T11 45 40 5 28.8744 0.64165 15

T12 75 79 68.6081 0.91477 3

T13 45 1 45 27.0000 0.60000 C. E. Procuraduría *

T14 45 1 45 27.0000 0.60000 C. E. Fábrica de Ladrillos

T15 45 47 40.7542 0.90565 3

T16 30 1 30 18.0000 0.60000 C. E. Comcel

T17 10 10 6.0000 0.60000 Solo A.P.

T18 45 No hay información disponible

T19 45 No hay información disponible

T20 112.5 1 112.5 67.5000 0.60000 C. E. Comunidad indígena

T21 10 10 6.0000 0.60000 Solo A.P.

T22 45 No hay información disponible

T23 15 15 9.0000 0.60000 Solo A.P.

T24 10 10 6.0000 0.60000 Solo A.P.

T25 150 1 150 90.0000 0.60000 C. E. Aeropuerto

T26 112.5 1 112.5 67.5000 0.60000 C. E. Clínica

T27 75 57 5 48.8744 0.65166 15 Descargado

T28 45 51 42.0469 0.93438 2

T29 75 36 30 63.6542 0.84872 6

T30 75 1 75 45.0000 0.60000 C. E. Consulado Venezuela

T31 75 64 5 55.6863 0.74248 10 Descargado

T32 30 1 30 18.0000 0.60000 C. E. Fábrica

T33 45 34 5 34.9925 0.77761 9

T34 45 37 38.0773 0.8461 8

T35 75 1 50 50.000 0.6666

**C.E: Carga especial

Page 190: Estudio de reestructuración de la central de generación y

192

TABLA 5.18 ESTADO ACTUAL DE LOS TRANSFORMADORES

CIRCUITO No 2

TRAF CAPACIDAD(kVA)

NoUSU

CARGA.P.kVA

OTRASCARGAS KvA

CARGA(kVA)

CARGAreal/inst

AÑOREP

OBSERVACIONES

T1 75 30 30 66.0604 0.88081 3

T2 45 29 32.9295 0.73177 9

T3 75 49 5 40.7500 0.54333 19 Descargado

T4 75 1 75 45.0000 0.60000 C.E. Hotel Safari

T5 30 1 30 18.0000 0.60000 C.E. Hotel Orinoco

T6 75 71 5 56.9166 0.75889 8

T7 45 1 45 27.0000 0.60000 C.E. Alcaldía

T8 150 1 150 90.0000 0.60000 C.E. Satena

T9 45 45 5 36.2500 0.80556 6

T10 75 75 5 61.6346 0.82179 5

T11 112.5 1 112.5 67.5000 0.60000 C.E. Comercializadora

T12 45 35 5 29.6281 0.65840 13 Descargado

T13 30 1 30 18.0000 0.60000 C.E. Oficinas FER

TABLA 5.19 ESTADO ACTUAL DE LOS TRANSFORMADORES

CIRCUITO No 3

TRAF CAPACID.(kVA)

NoUSU

CARGAA.P. kVA

OTRASCARGAS kVA

CARGA(kVA)

CARGAreal/inst

AÑOREP

OBSERVACIONES

T1 75 30 5 20 43.5291 0.5804 17 Descargado

T2 45 53 39.6500 0.8812 3

T3 112.5 35 75 89.0000 0.7911 6

T4 75 78 5 30 52.8643 0.7049 10 Descargado

T5 45 48 5 10 29.2000 0.6489 13 Descargado

T6 45 73 32.2400 0.7165 10 DescargadoT7 30 56 25.6200 0.8541 4

T8 112.5 1 112.5 67.5000 0.6000 C. E.. Fábrica

T9 75 56 5 50 58.0336 0.7738 7

T10 75 49 34.2000 0.4559 26 Descargado

T11 75 75 30.6200 0.4082 29 Descargado

T12 30 53 22.4000 0.7467 8

T13 45 71 35.1800 0.7819 7

T14 45 53 38.0800 0.8462 4

T15 75 1 75 45.0000 0.6000 C.E. Hotel

En las tablas anteriores, podemos apreciar cual es el estado de cada uno de los

transformadores de la red de distribución de Puerto Inírida. De esta tabla, la

información que más nos interesa es la contenida en las columnas 7 y 8; en la

columna 7 encontramos un valor el cual es la razón entre la potencia real de cada

Page 191: Estudio de reestructuración de la central de generación y

193

transformador y la potencia nominal del citado elemento. De este modo podemos

apreciar cual es la cargabilidad de cada transformador en estos momentos.

De igual modo, la columna 8 nos indica cual es el año en que se debe efectuar la

reposición de cada transformador, tomando como referencia, que el año cero de

reposición es el actual, o sea, cuando se realiza el estudio. Claro está, que a este

año indicado en esta tabla, se le debe descontar el tiempo que lleva en servicio el

transformador.

Este cálculo se realizó partiendo de la siguiente expresión, la cual se utiliza para

proyectar los transformadores a 8 años, tiempo que constituye su vida útil:8

0 )1( ikVAkVAn +=

donde:

kVA0: Carga del transformador en el año cero del proyecto

kVAn: Carga del transformador en el año ocho del proyecto

n: Último año de vida útil del transformador (8)

i: tasa del crecimiento de la demanda (ver capítulo 3)

Entonces, para determinar en que año van a estar sobrecargados los

transformadores que en la actualidad no lo están, procedemos a despejar n de la

siguiente manera:

)1(0

iLnkVA

kVALnn

n

+=

donde reemplazamos la potencia del transformador en el año n (kVAn), por la

potencia nominal del transformador.

Así podremos calcular, en que año se debe realizar el cambio de un

transformador, debido a que está sobrecargado. Cuando este año es mayor a 8

años, esto quiere decir que el transformador durante su vida útil no se a

Page 192: Estudio de reestructuración de la central de generación y

194

sobrecargar. No debemos de perder de vista, que en este análisis no se han

tenido en cuenta los años de servicio de cada transformador, a causa de no tener

acceso a esta información. Sin embargo, esta situación se soluciona adicionando

este tiempo, para efectuar la reposición en el año exacto.

5.1.2.4 Resultados de la Evaluación de la Red Secundaria

Los resultados de nuestra evaluación, son el producto de un diagnóstico

adelantado en todos los transformadores del sistema de distribución de la ciudad

(salvo algunos casos), en el cual, se tienen en cuenta parámetros de

funcionamiento tales como cargabilidad de los transformadores y regulación de los

circuitos de cada transformador. Por lo tanto, seleccionamos algunos

transformadores, los cuales deben ser revisados en la siguiente sección, para

buscar una solución óptima a los problemas técnicos que se presentan en la

actualidad. Estos transformadores aparecen descritos a continuación:

TABLA 5.20 RESUMEN DE TRANSORMADORES QUE NO OPERAN EN

CONDICIONES NORMALES

TRANSFORMADOR % SOBRECARGA % SOBRE REGULACIÓN

CIRCUITO 1

T1 0.77

T3 30.00

T4 6.10

T7 6.65

T10 1.08

T15 8.60

T28 7.90

CIRCUITO 2

T12 5.56

CIRCUITO 3

T6 6.62

T11 6.83

Page 193: Estudio de reestructuración de la central de generación y

195

De acuerdo con el anterior análisis, podemos concluir, que en términos generales

el sistema de distribución de energía eléctrica de Puerto Inírida, se encuentra en

buen estado, salvo los diez transformadores del listado anterior. Esto equivale al

14.28% de la totalidad de los transformadores que fueron objeto de nuestra

evaluación.

De los transformadores que presentan alguna deficiencia en cuanto a su

regulación y/o cargabilidad, observamos que la sobrecarga de T7 y T10 apenas

llega al 0.77% y 1.08% respectivamente, valores que en la actualidad no

constituyen problema alguno en cuanto a su funcionamiento se refiere. El único

problema que pueden ocasionar es en el futuro, puesto que eventualmente se

pueden sobrecargar si la demanda de energía por usuario crece valores iguales o

superiores a los expuestos en la proyección de demanda de energía. Además,

impiden que nuevos usuarios se puedan conectar en el futuro. A esta situación

nos referiremos con más detalle en la siguiente sección.

Los otros siete transformadores en los cuales se han detectado problemas

relacionados con la excesiva variación de tensión en los extremos de cada

circuito, consideramos que en varios casos específicos este problema no es muy

representativo, puesto que la regulación no está muy por encima del límite

recomendado por la normas de diseño, además, esta situación se compensa con

la excelente regulación de la red de media tensión. Por ejemplo, el transformador

T7 del circuito 1, tiene una regulación en el extremo más alejado de 6.65%, valor

que está 30% por encima del límite de 5%, pero en el primario del transformador la

tensión de la red es de solo 0.53% y su límite máximo es de 3%. Entonces, si

sumamos las dos regulaciones, tendremos un valor de 7.18%, regulación que está

por debajo del 8% que es el límite permitido entre la red primaria y secundaria. No

obstante, el circuito secundario de este transformador presentará problemas en

algunos años, tal como veremos en la siguiente sección, en donde se formulará

alguna estrategia a seguir para solucionar problemas como este en la red de

distribución de la ciudad.

Page 194: Estudio de reestructuración de la central de generación y

196

5.2 Reestructuración de la Red de Distribución

5.2.1 Reestructuración de los Circuitos de Baja Tensión.

Después de presentar en el capítulo anterior un detallado análisis sobre el

funcionamiento del sistema de distribución eléctrica de Puerto Inírida, el cual nos

brindó la oportunidad de identificar el origen de los inconvenientes que se

presentan en la prestación del servicio de energía eléctrica, en cuanto hace

referencia a su sistema de distribución, procedemos entonces, basándonos en

esta información, a formular una posible solución a estos problemas.

Como se pudo constatar en la sección 5.1.2, la red primaria de la ciudad no

presenta ningún tipo de inconveniente, sin embargo, las redes de baja tensión de

algunos transformadores sufren de variaciones de tensión por encima de lo

establecido en las normas de diseño. Sin embargo, guiándonos por las Normas

de Subtransmisión y Distribución del ICEL, respecto al valor máximo de regulación

permitido, encontramos que este es del 14%, el cual proviene de la suma de las

regulaciones de la red primaria, secundaria, transformador y acometida, tal como

se indica en la siguiente tabla:

TABLA 5.21 VALOR MÁXIMO DE REGULACIÓN EN REDES DE DISTRIBUCIÓN

PORCENTAJE DE REGULACIÓN %

COMPONENTES ALIMENTACIÓN DE USUACIOS

DESDE SECUNDARIOS

ALIMENTACIÓN DE USUARIOS

DESDE PRIMARIOS

PRIMARIOS A 13.2kV ENTRE LA

SUBESTACIÓN Y ÚLTIMO TRAFO

3 8

TRANSFORMADOR DE

DISTRIBUCIÓN

3 3

SECUNDARIO TRAFO HASTA LA

ÚLTIMA ACOMETIDA

5 _

ACOMETIDA 3 3

REGULACIÓN TOTAL 14 14

Page 195: Estudio de reestructuración de la central de generación y

197

De acuerdo con lo anterior, proyectamos a quince años la carga de cada

transformador, para observar cuales son los circuitos de baja tensión que no

cumplen con la norma del ICEL respecto a regulación.

TABLA 5.22 REGULACIÓN REDES SECUNDARIAS A 15 AÑOS CIRCUITO 1

TRAFO REGULACIÓN REDPRIMARIA

REGTRAFO

REGULACIÓN REDSECUNDARIA

REGULAC.ACOMETIDA

REGTOTAL

T1 0.446 3.000 1.832 3.000 8.278T2 0.437 3.000 6.467 3.000 12.904T3 0.255 3.000 6.667 3.000 12.922T4 0.445 3.000 9.392 3.000 15.837T5 0.441 3.000 6.867 3.000 13.308T6 0.724 3.000 0.000 0.000 3.724T7 0.821 3.000 10.239 3.000 17.060T8 0.936 3.000 6.867 3.000 13.803T9 0.943 3.000 7.899 3.000 14.842

T10 0.953 3.000 4.450 3.000 11.403T11 0.954 3.000 4.912 3.000 11.866T12 0.874 3.000 6.143 3.000 13.017T13 0.884 3.000 0.000 0.000 3.884T14 0.914 3.000 0.000 0.000 3.914T15 0.966 3.000 13.241 3.000 20.207T16 0.967 3.000 0.000 0.000 3.967T17 1.013 3.000 0.000 0.000 4.013T18 1.014 3.000 0.000 0.000 4.014T19 1.039 3.000 0.000 0.000 4.039T20 1.047 3.000 0.000 0.000 4.047T21 1.058 3.000 0.000 0.000 4.058T22 1.062 3.000 0.000 0.000 4.062T23 1.072 3.000 0.000 0.000 4.072T24 1.078 3.000 0.000 0.000 4.078T25 1.084 3.000 0.000 0.000 4.084T26 0.884 3.000 0.000 0.000 4.884T27 0.902 3.000 4.742 3.000 11.644T28 0.886 3.000 12.164 3.000 19.050T29 0.888 3.000 5.651 3.000 12.539T30 0.912 3.000 0.000 0.000 3.912T31 0.911 3.000 6.651 3.000 13.562T32 0.915 3.000 0.000 3.000 6.915T33 0.878 3.000 5.574 3.000 12.452T34 0.245 3.000 6.159 3.000 12.404T35 0.888 3.000 0.000 3.000 6.888

Page 196: Estudio de reestructuración de la central de generación y

198

TABLA 5.23 REGULACIÓN REDES SECUNDARIAS A 15 AÑOS CIRCUITO 2

TRAFO REGULACIÓN REDPRIMARIA

REGTRAFO

REGULACIÓN REDSECUNDARIA

REGULAC.ACOMETIDA

REGTOTAL

T1 0.1459 3.000 7.252 3.000 13.398T2 0.3449 3.000 5.420 3.000 11.765T3 0.4450 3.000 7.190 3.000 13.635T4 0.4280 3.000 0.000 3.000 6.428T5 0.4265 3.000 0.000 3.000 6.426T6 0.4060 3.000 7.067 3.000 13.473T7 0.4074 3.000 0.000 3.000 6.407T8 0.4604 3.000 0.000 3.000 6.460T9 0.4480 3.000 7.221 3.000 13.669

T10 0.4557 3.000 4.773 3.000 11.229T11 0.4604 3.000 0.000 3.000 6.460T12 0.4619 3.000 8.561 3.000 15.023

TABLA 5.24 REGULACIÓN REDES SECUNDARIAS A 15 AÑOS CIRCUITO 3

TRAFO REGULACIÓN REDPRIMARIA

REGTRAFO

REGULACIÓN REDSECUNDARIA

REG ACOM REGTOTAL

T1 0.1041 3.0000 3.2795 1.5000 7.8836T2 0.1216 3.0000 6.9748 1.5000 11.5964T3 0.2217 3.0000 6.9748 1.5000 11.6965T4 0.1832 3.0000 5.5737 1.5000 10.2569T5 0.2402 3.0000 5.3889 1.5000 10.1291T6 0.2602 3.0000 10.1927 1.5000 14.9530T7 0.2694 3.0000 2.4635 1.5000 7.2330T8 0.2679 3.0000 0.0000 1.5000 4.7679T9 0.2371 3.0000 6.1588 1.5000 10.8959

T10 0.2879 3.0000 5.3273 1.5000 10.1153T11 0.2972 3.0000 10.5469 1.5000 15.3440T12 0.2848 3.0000 5.7738 1.5000 10.5587T13 0.1386 3.0000 5.5737 1.5000 10.2123T14 0.2664 3.0000 5.2503 1.5000 10.0167T15 0.2387 3.0000 0.0000 1.5000 4.7387

En los listados anteriores, aparecen los valores de regulación en el primario de

cada uno de los transformadores de la red, al igual que el valor máximo permisible

tanto de acometidas, como de los transformadores. Sumado a lo anterior

encontramos el porcentaje de regulación en el extremo del ramal más largo de los

circuitos de baja tensión.

Page 197: Estudio de reestructuración de la central de generación y

199

Esto nos indica cuales son las redes de distribución secundarias que pueden

presentar inconvenientes producidos por la elevada variación de tensión en el

futuro. estos circuitos de baja tensión, son los pertenecientes a los

transformadores: T4. T7, T9, T15 y T28 del circuito 1; T12 del circuito 2; T6 y T11

del circuito 3

Ante este problema, el primer paso que se efectuó en el análisis de

reestructuración de la red fue intentar descargar los circuitos con mayor número

de usuarios y más largos, con transformadores adyacentes, pero esta situación no

fue posible, debido a que los transformadores contiguos a los que presentaban

anomalías por regulación, se encontraban en el límite de su cargabilidad de

acuerdo con el diagnóstico realizado. En otros casos, estas redes de baja tensión,

estaban en zonas muy alejadas, donde no hay más transformadores.

Por tal motivo, el siguiente paso efectuado fue formular el cambio de los

conductores existentes, teniendo en cuenta que el cable que sea sustituido se

pueda utilizar en lo posible en otro circuito.

En cambio, otros transformadores fueron reubicados; también hubo necesidad de

dividir circuitos de baja tensión, o sea que usuarios que eran alimentados por un

mismo transformador, se repartieron en dos, el existente y uno nuevo, situación

que mejoró notablemente la regulación en los extremos de la red secundaria de

estos.

En algunos casos, fue necesario plantear la construcción de tramos de red en

media tensión, tal como se explica más adelante.

A continuación aparece cuales son los cambios que se recomendaron adelantar

en cada uno de los circuitos de baja tensión:

Page 198: Estudio de reestructuración de la central de generación y

200

Circuito 1 Transformador 4:

Para mejorar la regulación en el extremo más lejano de la red secundaria de este

transformador, se cambió el conductor No 2 Al AWG existente en el tramo 0-6, con

una longitud de 175 metros, por un conductor 2/0 Al AWG, el cual permite una

regulación máxima en este ramal del circuito de 4.93% proyectada a 15 años (ver

anexo 14).

Circuito 1 Transformador 7:

La reestructuración formulada en este circuito consistió en repartir sus usuarios

con otro transformador nuevo de 45 kVA, el cual se debe ubicar sobre la ruta de la

red primaria existente. Este transformador se debe ubicar a 60 metros del

transformador C1 T6 de carga especial en dirección a la subestación. Su función

es la de alimentar a 20 usuarios y su longitud será de 255 metros con conductor

2/0 AL AWG. En la construcción de esta red se debe utilizar el conductor, la

postería y todos los elementos utilizados en la red actual.

El transformador C1 T7 de 45 kVA existente, alimentará a 28 usuarios, su red

secundaria será de 315 metros montada en las mismas estructuras y con el

conductor actual que es 2/0 AL AWG.

La regulación en el extremo más apartado de estos dos transformadores no es

mayor a lo indicado en las Normas ICEL con una proyección de 15 años, tal como

aparece en el anexo 14

Circuito 1 Transformador 9:

Para mejorar la regulación en el extremo más lejano de la red secundaria de este

transformador, se cambió el conductor 2/0 Al AWG existente en el tramo 0-10, con

Page 199: Estudio de reestructuración de la central de generación y

201

una longitud de 270 metros, por un conductor 4/0 Al AWG, el cual permite una

regulación máxima en este ramal del circuito de 5% proyectada a 15 años (ver

anexo 14).

Circuito 1 Transformador 15:

La regulación en el extremo más lejano de la red secundaria de C1 T15, se mejoró

planteando el cambio del conductor No 2 Al AWG existente en el tramo 5-29, con

una longitud de 420 metros, por un conductor 4/0 Al AWG, el cual permite una

regulación máxima en este ramal del circuito de 4.47% proyectada a 15 años (ver

anexo 14).

Circuito 1 Transformador 28:

Al igual que en C1 T4 y C1 T9, el porcentaje de variación de tensión en el extremo

más lejano de la red secundaria del transformador en cuestión, se procedió a

cambiar el conductor No 2 Al AWG existente en el tramo 0-11, el cual tiene una

longitud de 245 metros, por un conductor 4/0 Al AWG, cambio quel permite una

regulación máxima en este ramal del circuito de 4.24% proyectada a 15 años (ver

anexo 14).

Circuito 2 Transformador 12:

Para mejorar la regulación en el extremo más lejano de la red secundaria de este

transformador, se cambió el conductor 2/0 Al AWG existente en los tramos 0-10 y

10-16, con una longitud total de 310 metros, por un conductor 4/0 Al AWG, el cual

permite una regulación máxima en este ramal del circuito de 4.9% proyectada a 15

años (ver anexo .14).

Page 200: Estudio de reestructuración de la central de generación y

202

Circuito 3 Transformador 6

Los usuarios de este transformador se repartieron con uno nuevo a instalar a 400

metros del sitio donde se encuentra ubicado C3 T6. Para que sea posible ubicar

en este sitio el nuevo transformador, es necesario construir una ampliación de la

red primaria. Esta inversión se debe de llevar a cabo, puesto que la ciudad de

Puerto Inírida, de acuerdo con información suministrada por la Empresa de

Energía del Guainía, tiende a expandirse por este costado, y en consecuencia,

alargar la red primaria hasta este sitio, permitirá la conexión futura de más

transformadores al sistema de distribución local. El nuevo transformador

abastecerá de electricidad a 38 usuarios, los cuales son de estrato 1. En el anexo

14 encontramos mayor información acerca del diseño eléctrico de la red de este

transformador.

Circuito 3 Transformador 11:

En lo que hace referencia al transformador 7, la reestructuración formulada

consiste en cambiarlo de ubicación, para tener de este modo una mejor regulación

en los extremos del circuito. Este cambio no implica tener que utilizar más

conductor. Este transformador deberá ubicarse a 90 metros del sitio donde se

encuentra en este momento, siguiendo la trayectoria que va hasta la subestación.

(ver anexo 14).

Una vez resueltos los inconvenientes de regulación que se presentan en algunos

circuitos de baja tensión, analizaremos el fenómeno concerniente a la sobrecarga

de los transformadores. Tal como se describe en la sección 5.1.2.3, T1, T3 y T10

del circuito 1 están sobrecargados. Entonces lo que se debe hacer es

reemplazarlos por unos que, además de tener la capacidad de soportar la carga

actual, no presenten sobrecargas en el futuro, motivo por el cual se proyecta la

Page 201: Estudio de reestructuración de la central de generación y

203

carga actual a ocho años, para comprobar que los transformadores seleccionados

son los correctos:

TABLA 5.25 REPOSICIÓN DE TRANSFORMADORES

TRAFO CAPACIDAD kVA CARGA

ACTUAL kVA

CARGA PROYECTADA

8 AÑOS kVA

TRAFO

SELECCIONADO

C1 T1 45 45.35 57.08 75 kVA

C1 T3 45 58.63 75.96 75kVA

C1 T10 45 45.81 56.98 75kVA

De este modo quedan definidos los nuevos transformadores, los cuales deben ser

adquiridos por la Electrificadora, puesto que no hay ningún transformador de 75

kVA que esté descargado y se pueda reemplazar por los de 45kVA mencionados

anteriormente.

Aunque estos transformadores son los únicos que presentan sobrecarga

actualmente, hay otros que de acuerdo a nuestro análisis, dentro de poco tiempo

deben ser reemplazados. Por tal motivo, elaboramos una programación de

sustitución de transformadores en la medida que estos se sobrecarguen con el

paso del tiempo:

TABLA 5.26 PLAN DE REPOSICIÓN DE TRANSFORMADORES

TRAFO CAPACIDAD

kVA

CARGA

kVA

CARGA 8

AÑOS kVA

AÑO REPOSICIÓN TRAFO

SELECCIONADO

C1 T2 30 27.67 37.97 3 45 kVA

C1 T4 45 43.98 56.98 1 75 kVA

C1 T5 45 41.21 56.55 3 75 kVA

C1 T12 75 68.61 94.15 4 112.5 kVA

C1 T15 45 40.75 55.93 3 75 kVA

C1 T28 45 42.05 56.06 2 75 kVA

C1 T29 75 63.65 95.23 6 112.5 kVA

C2 T1 75 66.06 90.66 3 112.5 kVA

C3 T2 45 39.65 54.42 3 75 kVA

Page 202: Estudio de reestructuración de la central de generación y

204

C3 T7 30 25.62 36.19 4 45 kVA

C3 T14 45 38.08 53.78 4 75 kVA

Vale la pena aclarar, que en este plan de reposición de transformadores, no se

contempla la sustitución por situaciones distintas a la sobrecarga, por tal motivo,

los transformadores a cambiar pueden ser muchos más.

5.2.2 Reestructuración de la Red Primaria

como se ha analizado con anterioridad, la red de media tensión del sistema de

distribución de Puerto Inírida se encuentra en buen estado. Sin embargo es

necesario construir un tramo de 420 metros de red de 13200 voltios para hacer

posible el montaje de un nuevo transformador de 30 kVA. Esta construcción

deberá realizarse utilizando 5 estructuras 511, 2 estructuras 513 y 1 estructura de

retención 550, en la cual irá montado el transformador. Estas estructuras deberán

montarse en 8 postes de concreto de 12 metros, los cuales se hincarán en los

hoyos ya existentes de los postes de baja tensión. El conductor que se debe

utilizar es Raven 1/0 ACSR AWG por cada fase. El transformador debe ir

aterrizado con una varilla coperwell de 1.2 metros de longitud, conectada por

medio de un alambre de cobre desnudo No 6.

5.3. Análisis de Costos de la Reestructuración

En esta sección elaboraremos el presupuesto de la reestructuración planteada en

el presente capítulo, el cual será evaluado para determinar su viabilidad

económica. Esta viabilidad se determinará comparando las pérdidas que se

presentarían con la configuración actual, contra las pérdidas de energía

resultantes en el sistema después de reestructurar los circuitos de baja tensión,

tal como está indicado en la sección anterior. La comparación se efectuará en un

periodo de tiempo de 15 años

Page 203: Estudio de reestructuración de la central de generación y

205

El presupuesto de la reestructuración se hará independiente para cada uno de los

circuitos de los transformadores que son objeto de cambios, del siguiente modo:

COSTO DE LAS REDES DE BAJA TENSIÓN

Red del Transformador C1T4

TABLA 5.27 COSTO DE REESTRUCTURACION C1T14

DESRIPCIÓN UN CANT MATERIAL MANO DE OBRA SUBTOTALSuministro, trans, tendido ytensionado cond Al 2/0AWG

mX3 525 1901025 190102.5 2091127.5

Suministro, trans, tend y tensionadocond Cu 6 AWG THW

mX2 350 1267350 126735 1394085

TOTAL B.T 3485212.5

Red del Transformador C1T9

TABLA 5.28 COSTO DE REESTRUCTURACION C1T9

DESRIPCIÓN UN CANT MATERIAL MANO DE OBRA SUBTOTALSuministro, trans, tend y tensionadocond Al 4/0AWG

mX3 810 2933010 293301 3226311

Suministro, trans, tend y tensionadocond Cu 6 AWG THW

mX2 540 1955340 195534 2150874

TOTAL B.T 5377185

Red del Transformador C1T15

TABLA 5.29 COSTO DE REESTRUCTURACION C1T15

DESRIPCIÓN UN CANT MATERIAL MANO DE OBRA SUBTOTALSuministro, trans, tend y tensionadocond Al 4/0AWG

mX3 1260 4562460 456246 5018706

Suministro, trans, tend y tensionadocond Cu 6 AWG THW

mX2 840 3041640 304164 3345804

TOTAL B.T 8364510

Red del Transformador C1T28

TABLA 5.30 COSTO DE REESTRUCTURACION C1T28

DESRIPCIÓN UN CANT MATERIAL MANO DE OBRA SUBTOTALSuministro, trans, tend y tensionadocond Al 4/0AWG

mX3 735 2661435 266143.5 2927578.5

Page 204: Estudio de reestructuración de la central de generación y

206

Suministro, trans, tend y tensionadocond Cu 6 AWG THW

mX2 490 1774290 177429 1951719

TOTAL B.T 4879297.5

Red del Transformador C2T12

TABLA 5.31 COSTO DE REESTRUCTURACION C2T12

DESRIPCIÓN UN CANT MATERIAL MANO DE OBRA SUBTOTALSuministro, trans, tend y tensionadocond Al 4/0AWG

mX3 735 2661435 266143.5 2927578.5

Suministro, trans, tend y tensionadocond Cu 6 AWG THW

mX2 490 1774290 177429 1951719

TOTAL B.T 4879297.5

COSTO DE LA RED DE MEDIA TENSIÓN

TABLA 5.32 COSTO DE REESTRUCTURACION RED MEDIA TENSION

DESRIPCIÓN UN CANT MATERIAL MANO DE OBRA SUBTOTALSuministro, trans, instalación de herrajesy accesorios para estructura tipo 511

GL 5 152117 22817.55 174934.55

Suministro, trans, instalación de herrajesy accesorios para estructura tipo 513

GL 2 211743 31761.45 243504.45

Suministro, trans, instalación de herrajesy accesorios para estructura tipo 550

GL 1 247351 37102.65 284453.65

Suministro, trans, tendido de 3 condACSR 1/0 AWG

mx3 420 7350840 1102626 8453466

Suministro, trans, ahoyada, aplomada,hincada de poste 12 m 510 Kg concreto

UN 8 3180256 477038.4 3657294.4

TOTAL 12813653.1

COSTO DE LOS TRANSFORMADORES

TABLA 5.33 COSTO DE REPOSICION DE TRANSFORMADORES

DESRIPCIÓN UN CANT MATERIAL MANO DE OBRA SUBTOTALSuministro, trans, montaje, conexionado,pruebas y puesta en servicio detransformador trifásico 30 kVA yprotecciones

UN 1 4246000 424600 4670600

Suministro, trans, montaje, conexionado,pruebas y puesta en servicio detransformador trifásico 45 kVA yprotecciones

UN 1 4840000 484000 5691840

Suministro, trans, montaje, conexionado, UN 4 23280000 2328000 25608000

Page 205: Estudio de reestructuración de la central de generación y

207

pruebas y puesta en servicio detransformador trifásico 75 kVA yprotecciones

TOTAL 35602600

Los costos de materiales incluyen transporte a la zona y los costos de mano de

obra propios de la región (se ha tomado el 10% del costo de los materiales de

acuerdo a recomendación efectuada por ingenieros contratistas de la

electrificadora).

Resumen :

• Red Baja Tensión Miles $26.985

• Red Media Tensión Miles $12.837

• Transformadores Miles $35.026

TOTAL Miles $75.424

Disminución de Pérdidas en los Circuitos de Baja Tensión Reestructurados:

El objetivo fundamental de llevar a cabo reestructuraciones eléctricas en redes de

distribución, es el de mejorar la calidad de la energía que se entrega a los

usuarios, pero además, trae beneficios económicos al operador del sistema,

puesto que disminuye pérdidas de potencia, las cuales se traducen en ahorro de

dinero. Es por tal motivo que presentamos un balance de la disminución de las

pérdidas de potencia, producto de la reestructuración propuesta, con sus

respectivos beneficios económicos (15).

La siguiente tabla nos muestra el beneficio económico de la reestructuración

respecto al estado actual, analizando independientemente los circuitos de baja

tensión objeto de nuestro análisis. Las cantidades que allí aparecen son el

resultado del siguiente cálculo:

Page 206: Estudio de reestructuración de la central de generación y

208

hFE CPOTAHORRO ××∆=

donde:

EAHORRO: energía ahorrada en un año de servicio de la red con la reestructuración

∆POT: diferencia entre las pérdidas de potencia pico de los circuitos actuales y las

pérdidas de los circuitos reestructuradas

FC: Factor de carga (0.446)

h: horas al año en que presta servicio la red (5840 horas/año)

TABLA 5.34 AHORRO DE PÉRDIDAS DE POTENCIA $/kWhaño

AÑO C1T4 C1T7 C1T9 C1T15 C1T28 C2T12 C3T6 C3T11 TOTAL AÑO0 637.11 432.23 284.46 562.66 483.95 163.68 236.18 258.38 3058.651 601.57 408.11 268.59 531.27 456.95 154.55 223.00 243.97 2889.012 568.01 385.34 253.60 501.63 431.45 145.93 210.56 230.36 2728.893 536.32 363.85 239.45 473.65 407.38 137.79 198.81 217.51 2577.764 506.40 343.55 226.10 447.22 384.66 130.10 187.72 205.37 2435.125 478.15 324.38 213.48 422.27 363.20 122.84 177.25 193.92 2300.496 451.47 306.28 201.57 398.71 342.93 115.99 167.36 183.10 2173.427 426.29 289.20 190.33 376.47 323.80 109.52 158.02 172.88 2053.508 402.50 273.06 179.71 355.47 305.74 103.41 149.21 163.24 1940.339 380.05 257.83 169.68 335.64 288.68 97.64 140.88 154.13 1833.53

10 358.85 243.45 160.22 316.91 272.58 92.19 133.02 145.53 1732.7411 338.83 229.86 151.28 299.23 257.37 87.05 125.60 137.41 1637.6312 319.92 217.04 142.84 282.54 243.01 82.19 118.59 129.75 1547.8813 302.08 204.93 134.87 266.77 229.45 77.61 111.98 122.51 1463.2014 285.22 193.50 127.35 251.89 216.65 73.28 105.73 115.67 1383.2915 269.31 182.70 120.24 237.84 204.57 69.19 99.83 109.22 1307.90

6862.08 4655.32 3063.76 6060.18 5212.36 1762.96 2543.74 2782.94 32943.34

El costo total de la energía en el año cero se halla de la siguiente forma:

AHORROesrtkWh ECC ×= )(0

donde:

Page 207: Estudio de reestructuración de la central de generación y

209

CkWh (estr): es el costo por kilovatio hora de acuerdo al estrato al que pertenecen los

usuarios del circuito. Los costos de la energía son de 85.17 $/kWh para el estrato

1 y 108.73 $/kWh para el estrato 2.

Para los años diferentes al cero del proyecto, este costo se obtiene de la siguiente

manera:

n

cnn

dn iEiCC )1()1(0 +×+= −

donde:

n: año del proyecto

Cn: costo del kilovatio hora ahorrado en el año n del proyecto

En: energía en el año n del proyecto

id: tasa de descuento del 9% (según resolución CREG 99/97)

ic: tasa de crecimiento de la demanda (ver capítulo 3)

De acuerdo con lo anterior, tenemos que la inversión que se debe hacer en cuanto

a la red de baja tensión se refiere, se recuperará en el año 11 del proyecto con el

ahorro de pérdidas de energía. Este tiempo lo calculamos sumando la última

columna de la tabla 5.34, en la cual se encuentra el valor en miles de pesos de la

energía ahorrada por efecto de la reestructuración propuesta, hasta llegar al valor

de la inversión que se debe realizar, del siguiente modo:

07,376985.2607,361.27 =−

en donde sabemos que 26.985 son los miles de pesos que se deben invertir en la

reestructuración de la red de baja tensión y 27.361,07 resulta de la suma

mencionada anteriormente, hasta el año 11 del proyecto.

Page 208: Estudio de reestructuración de la central de generación y

210

En este análisis no se tienen en cuenta los costos de reposición de

transformadores, puesto que esta se debe adelantar independientemente de que

se efectúe la reestructuración de la red.

5.4 Resultados de la Valoración

Tomando como base el anterior análisis económico, podemos deducir que es

conveniente llevar a cabo la reestructuración de la red secundaria de distribución

de Puerto Inírida, puesto que además de mejorar el servicio a los usuarios, genera

un ahorro en cuanto a pérdidas de energía se refiere.

Sin embargo, este ahorro de pérdidas de potencia cuando se traduce en dinero,

no es tan significativo como quisiéramos , debido al bajo dinero que pagan los

usuarios por el servicio energético; recordemos que los usuarios del servicio

eléctrico de esta ciudad son subsidiados por el estado. Aunado a esta situación,

está el elevado costo de los materiales eléctricos en la región, situación que deriva

de la lejanía de esta población, de centros urbanos como Bogotá.

A pesar de las desventajas citadas en el párrafo anterior, la reestructuración de la

red se debe de llevar a cabo, porque es viable económicamente. Y además de ser

una fuente temporal de empleo, se constituye en un elemento que contribuye

significativamente al fortalecimiento de la infraestructura energética de la ciudad

de Puerto Inírida.

Page 209: Estudio de reestructuración de la central de generación y

210

CONCLUSIONES

La elaboración del estudio de reestructuración del sistema eléctrico de Puerto

Inírida, nos ha permitido poner en práctica algunos conocimientos adquiridos a lo

largo de nuestros estudios profesionales, también nos ha motivado a investigar y

adentrarnos en temas que nos eran ajenos hasta antes de comenzar el Proyecto

de Grado.

Además, tuvimos la oportunidad de trabajar en un escenario real, el cual difiere

notoriamente de los diseños y proyectos que ase realizan en las asignaturas de la

carrera, o a los casos descritos en los textos. Aunado a esta situación, estaba la

limitante económica, la cual nos exigía elaborar nuestros diseños buscando

siempre el menor costo, aunque cumpliendo claro está, con todas las normas que

exigen las electrificadoras. Sin embargo, estamos seguros que las ideas

plasmadas en este documento, se ajustan a los parámetros técnicos requeridos

por la central y la red en cuestión, sin sobrepasar los límites impuestos por la

escasez de recursos económicos, dando como resultado final la viabilidad de esté

proyecto, ya que se propone un mejoramiento de la situación actual de los

sistemas de generación y distribución en la Ciudad.

Es un hecho que las mejoras propuestas en todo el sistema eléctrico de Puerto

Inírida planteados en este estudio, traerían inmensos beneficios a los usuarios del

servicio, en el evento en que fuera implementado, puesto que de este modo,

mejoraría notablemente la calidad de la energía. A los operadores del sistema

también les representaría beneficios, puesto que, respecto al sistema de

distribución, este disminuiría sus pérdidas de energía.

Page 210: Estudio de reestructuración de la central de generación y

211

En cuanto a la central de generación podemos agregar que se recomendó la

alternativa dos, que propone utilizar los dos generadores existentes por un tercero

de iguales características, ya que ésta brinda mayores beneficios técnicos y

económicos; también se presentarán ahorros significativos de combustible,

aceites, filtros, y demás elementos puesto que se presenta un plan para llevar a

cabo un mantenimiento preventivo de los grupos electrógenos. Se recomienda

colocar un Sistema contra incendios y de extintores, para brindar mayor seguridad

a los operarios y a los equipos de generación.

En cuanto a la reestructuración del Sistema de distribución se formulan estrategias

para mejorar la red actual, buscando que la inversión realizada sustituya la

operación deficiente que ocurre en la actualidad y genere un ahorro en cuanto a

pérdidas de energía se refiere.

Page 211: Estudio de reestructuración de la central de generación y

211

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