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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE ELÉCTRICA
MARACAIBO- ESTADO ZULIA
“DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS ASISTIDO
POR COMPUTADORA”
Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Electricista
REALIZADO POR
Br. CORDERO ARAUJO, OSKAR GABRIEL
C.I. 18.516.119
TUTOR ACADÉMICO
NANCY MORA
MANUEL BRICEÑO
Maracaibo, Enero de 2010
DERECHOS RESERVADOS
- 2 -
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
“DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS ASISTIDO
POR COMPUTADORA”
___________________________ Br. CORDERO A., Oskar G.
C.I.: 18.516.116
DERECHOS RESERVADOS
- 3 -
APROBACIÓN
Este jurado aprueba el Trabajo Especial de Grado titulado: “DISEÑO DE BARRAS
FLEXIBLES EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS ASISTIDO POR
COMPUTADORA”, presentado por el Br. OSKAR GABRIEL. CORDERO ARAUJO., portador
de la C.I: 18.516.119, en cumplimiento con los requisitos establecidos para optar por el título de
INGENIERO ELECTRICISTA.
_________________________
Jurado Examinador
Ing. Nancy Mora
Tutor Académico.
_____________________ _____________________
Ing. Manuel Briceño Ing. Guillermo Osorio
Jurado Jurado
__________________________
Ing. Oscar Urdaneta
Decano Facultad de Ingeniería
DERECHOS RESERVADOS
- 4 -
Dedicatoria
Al todo poderoso por darme la vida, y haberme dado la oportunidad de existir, y
de tener una vida llena de salud y ayudarme a llegar a ser lo que soy hoy en día.
A mis padres, Grisalida Araujo y Oscar Cordero, por el apoyo incondicional que
me han brindado, además de saber llevarme por el mejor camino.
A la mis asesores, porque son el pilar más fuerte sobre el cual se levantó la
investigación, con su consejos y dedicación cumplimos nuestro sueño.
A mis amigos y compañeros de estudios, por que hicieron que la etapa del
desarrollo de la tesis fuera más amena, brindándome siempre su colaboración,
sabiduría, alegrías y compañía.
Oskar Cordero
I
DERECHOS RESERVADOS
- 5 -
Agradecimiento
A Dios por darme la oportunidad de vivir y de llegar a donde he llegado hoy en
día, alcanzar mis metas a través de mi trayectoria académica y por darme la
satisfacción de ser un profesional.
A la Universidad Rafael Urdaneta, instituto que me dio la oportunidad de
formarme como un futuro Ingeniero Electricista.
A la Escuela de Ingeniería Eléctrica, a los profesores del área que
transmitieron sus experiencias y conocimientos en las diferentes asignaturas.
A La Profesora Nancy Mora y el Profesor Manuel Briceño, quienes me
brindaron todas las herramientas necesarias y todo su apoyo para culminar mi trabajo
especial de grado.
De ustedes es mi logro.
II
DERECHOS RESERVADOS
- 6 -
CORDERO A. OSKAR G. “DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES EN SUBESTACIONES ELÉCTRICAS ASISTIDO POR COMPUTADORA”. Trabajo Especial de Grado para optar al Título de Ingeniero Electricista; Maracaibo – Venezuela: Universidad Rafael Urdaneta, Escuela de Ingeniería Eléctrica, 2010. 184 pág.
RESUMEN
En esta investigación se llevo a cabo con la finalidad de Elaborar un software para el diseño de barras flexibles para subestaciones eléctricas asistido por computadora y así conocer el beneficio que puede brindar a los trabajadores en el área de la ingeniería eléctrica la programación de un software para el diseño del mismo. La investigación realizada fue de tipo descriptiva, debido a que se conocieron aspectos y se obtuvieron las respuestas necesarias para la solución del problema planteado. De tipo no experimental- transaccional, porque no se modificaron los procedimientos de cálculo de barra flexible establecidos en la norma, ni la información técnica recolectada para crear la data técnica utilizada por el software. Con respecto a las técnicas e instrumentos de recolección de la información se utilizaron la observación documental, la observación indirecta y la observación directa. Aunado esto, se presentan los resultados obtenidos, donde se ve cristalizado en un software denominado “Diseño de Barras Flexibles 2009”, desarrollado en la plataforma computacional Microsoft Visual C# 2008, debido a las ventajas que ofrece para la implementación modular de los algoritmos matemáticos exigidos en este procedimiento y además de la facilidad para la elaboración de las pantallas, barras de herramientas, viñetas e iconos del software. El proceso de comprobación de resultados arrojados por el software en comparación con los obtenidos manualmente, permitió constatar la validez y la precisión de la herramienta computacional obtenida, cumpliendo con las condiciones necesarias para el diseño de barras flexibles, como lo son las eléctricas, mecánicas y meteorológicas, entre las que se pueden mencionar: las características técnicas del conductor trenzado, su calibre, la influencia del efecto corona, la temperatura superficial del conductor la tensión mecánica máxima horizontal y flecha máxima, según lo establecido en la normativa vigente y autores reconocidos internacionalmente. Así mismo, se plantean las recomendaciones y anexos de la investigación.
Palabras Claves: Barras Flexibles, Diseño, Software, Programación Email: oskar_03_1@hotmail.com
IiI
DERECHOS RESERVADOS
- 7 -
CORDERO A. OSKAR G. “DESIGN OF FLEXIBLE BARS IN ELECTRICAL SUBSTATIONS REPRESENTED BY COMPUTER” Special work Of Degree To choose For The Title Engineer's Electrician. University Rafael Urdaneta. Faculty of Engineering. School of Electrical Engineering. Maracaibo - State Zulia. Venezuela 2009. 184pág.
ABSTRACT
This research was carried out with the purpose of Elaborating a software for the design of flexible bars for electrical substations represented for computing and like that to know the benefit that can offer to the workers in the area of the electrical engineering the programming of a software for the design of the same one. The realized investigation was of type descriptive, due to the fact that aspects were known and there were obtained the answers necessary for the solution of the raised problem. Of not experimental type - transactional, because there were not modified the procedures of calculation of flexible bar established in the norm, not even the technical information gathered to create the technical byline used by the software. With regard to the technologies and instruments of compilation of the information they used the documentary observation, the indirect observation and the direct observation. United this, they present the obtained results, where one sees crystallized in a software called "Design of Flexible Bars 2009", developed in the platform computational Visual Microsoft C# 2008, due to the advantages that it offers for the implementation to modulate from the mathematical algorithms demanded in this procedure and besides the facility for the elaboration of the screens, toolbars, emblems and icons of the software. Likewise I come to him to the conclusion of which, the process of checking of results thrown by the software in comparison with the obtained ones manually, allowed to state the validity of the results for the tool computational, expiring with the conditions necessary for the design of flexible bars, since they it are the electricity companies, mechanical and meteorological, between them they can be mentioned: the technical characteristics of the plaited driver, the size of conductor, the influence of the effect crowns, the superficial temperature of the driver the mechanical tension horizontal maxim and maximum arrow, according to the established in the in force regulation and authors recognized internationally. Likewise, there appear the recommendations and annexes of the investigation
Key words: Flexible Bars, Design, Software, Programming Email: oskar_03_1@hotmail.com
IV
DERECHOS RESERVADOS
- 8 -
ÍNDICE GENERAL
Presentación
Veredicto
Dedicatoria I
Agradecimiento II
Resumen III
Abstract IV
Índice General V
Introducción 17
CAPITULO I: EL PROBLEMA 19
1.1- Planteamiento del problema 20
1.2- Formulación de problema: 23
1.3- Objetivos de la investigación 24
1.3.1- Objetivo general 24
1.3.2- Objetivos específicos 24
1.4- Justificación de la investigación 24
1.5- Delimitación de la investigación 25
1.5.1- Delimitación espacial 25
1.5.2- Delimitación temporal 25
1.5.3- Delimitación científica 26
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO 27
V
DERECHOS RESERVADOS
- 9 -
2.1- Antecedentes de la investigación. 28
2.2- Bases teóricas 32
2.2.1- Subestaciones eléctricas 32
2.2.2- Cargas 37
2.2.3- Esfuerzo 37
2.2.4- Flecha 37
2.2.5- Temperatura máxima 37
2.2.6 - Barraje 37
2.2.7- Corriente asignada 39
2.2.8- Barraje de campo 48
2.2.9- Barrajes colectores 48
2.2.10- Efecto corona en conductores: 50
2.2.11- Espaciamiento entre haces de conductores: 59
2.2.12- Cálculo de esfuerzos electromecánicos en barrajes 61
2.3- Términos básicos: 83
2.4- Operacionalización de la variable 85
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO 89
3.1- Tipo de investigación 90
3.2- Diseño de la investigación 91
3.3- Población y muestra 93
3.4- Técnicas e instrumentos de recolección de datos 94
3.5- Fases de la investigación 97
CAPÍTULO IV: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 103
4.1- Identificación del proceso de cálculo establecido en la normativa vigente
para el diseño de barras flexibles de subestaciones eléctricas.
101
4.2.- Requerimientos del software 104
4.3- Filosofía de operación del software 105
VI
DERECHOS RESERVADOS
- 10 -
4.3.1- Diagramas de Flujo 106
4.4- Aspectos generales del software 106
4.4.1- Nombre del software 106
4.4.2- Diseño del software 106
4.4.3- Criterios 107
4.4.4- Requisitos del sistema 107
4.4.5- Requisitos del usuario 108
4.5- Manual de Usuario 108
4.5.1- Instalación del software DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES 2009. 108
4.5.2- Ventana principal del programa. 112
4.5.3- La barra de menú. 113
4.5.4- La barra de herramientas principal 119
4.5.5- Área de datos del sistema 119
4.5.6- Campo ‘caso’ 120
4.5.7- El botón ‘aceptar 120
4.5.8 - El botón ‘cancelar’ 121
4.5.9- Ventana ‘funcionamiento’ 122
4.5.10- El campo ‘corriente nominal’ 122
4.5.11- El campo ‘corriente de emergencia’ 122
4.5.12- El campo ‘nivel de tensión’ 123
4.5.13- El campo ‘longitud de la barra’ 123
4.5.14- El campo ‘frecuencia del sistema’ 123
4.5.15- Ventana ‘características de la barra’ 123
4.5.16- Ventana ‘condiciones ambientales’ 124
4.5.17- Ventana ‘datos adicionales’ 126
4.5.18- Iniciar el diseño de barra flexible 127
4. 5.19- Los resultados 127
4. 5.20- La ventana ‘Ayuda’ 128
4. 5.21- La ficha de opciones ‘generales’ 129
4.6- Comprobación de los resultados 130
VII
DERECHOS RESERVADOS
- 11 -
CONCLUSIONES 135
RECOMENDACIONES 137
BIBLIOGRAFÍA 138
APÉNDICES 140
ANEXOS 167
VIII
DERECHOS RESERVADOS
- 12 -
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1- Características materiales 39
Tabla 2.2- Constantes B1 y [CIGRÉ (1992)] 44
Tabla 2.3- Coeficiente Geométrico 52
Tabla 2.4- Coeficiente de limpieza 52
Tabla 2.5- Parámetros de diseño en función de la categoría de exposición 65
Tabla 2.6- Coeficiente de sitio S (Asociación (1998) 69
Tabla 2.7- Cuadro de Variables 86
Tabla 2.8- Cuadro de Variables (Continuación) 87
Tabla 4.1- Tabla comparativa de resultados apéndice A 132
Tabla 4.2- Tabla comparativa de resultados cálculos manuales con programa
de Diseño de Barras Flexibles 2009
133
IX
DERECHOS RESERVADOS
- 13 -
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1- Barra sencilla 33
Figura 2.2- Barra principal y de transferencia 33
Figura 2.3- Doble Barra 34
Figura 2.4- Doble Barra mas barra de transferencia 34
Figura 2.5- Doble Barra más By-pass o pase directo 35
Figura 2.6- Anillo 35
Figura 2.7- Interruptor y medio 36
Figura 2.8- Doble interruptor 36
Figura 2.9- Velocidad relativa del aire 44
Figura 2.10- Temperatura conductores de aluminio, aleación de aluminio y
ACSR en cortocircuito
47
Figura 2.11- Temperatura conductores de cobre y acero en cortocircuito 48
Figura 2.12- Presión atmosférica 53
Figura 2.13- Teorema de imágenes 55
Figura 2.14- Longitud de sub-vanos 60
Figura 2.15- Factor m 63
Figura2.16- Factor de respuesta de ráfaga para conductores categoría de
exposición c
67
Figura2.17- Carga resultante sobre un cable con sobrecargas simultáneas de
hielo y viento
72
Figura 2.18- Conductores con cargas concentradas 73
Figura 2.19- Rango de movimiento de conductores flexibles durante un
cortocircuito
75
X
DERECHOS RESERVADOS
- 14 -
Figura 2.20- Trayectoria parabólica aproximada de un conductor con apoyos
a nivel
77
Figura 2.21- Trayectoria parabólica aproximada de un conductor con apoyos
a desnivel
78
Figura 2.22- Convención de dimensiones de conductor y cadenas 80
Figura 4.1- Ventana de presentación para la instalación del software 109
Figura 4.2- Ventana de bienvenida a la instalación del software 109
Figura 4.3- Ventana con botón para inicio de la instalación del software 110
Figura 4.4- Ventana para la selección del grupo de programas para la
instalación de Diseño de barras flexibles 2009
111
Figura 4.5- Ventana con indicador del progreso de la instalación del software
Diseño de barras flexibles 2009
111
Figura 4.6- Ventana que indica el fin de la instalación del software Diseño de
Barras Flexibles 2009
112
Figura 4.7- Ventana principal del software Diseño de Barras Flexibles 2009 112
Figura 4.8- La barra de Menú del software Diseño de Barras Flexibles 2009 113
Figura 4.9- Menú ‘Archivo’ desplegado, donde se muestran todos sus
comandos
114
Figura 4.10- Ventana de diálogo común del sistema operativo Windows 115
Figura 4.11- Ventana de confirmación para guardar en disco los datos
insertados o modificados
117
Figura 4.12- Menú ‘Insertar’ desplegado mostrando sus comandos 117
Figura 4.13- Menú ‘Calculadora’ mostrando sus respectivas opciones 118
XI
DERECHOS RESERVADOS
- 15 -
Figura 4.14- Barra de herramientas principal del software Diseño de Barras
Flexibles 2009
119
Figura 4.15- Área de la ventana principal donde se insertan los datos del
sistema de potencia
120
Figura 4.16- Botón ‘Aceptar’, el cual aparece en varias ventanas del software
Diseño de Barras Flexibles 2009
120
Figura 4.17- Botón ‘Cancelar’, el cual aparece en varias ventanas del
software Diseño de Barras Flexibles 2009
121
Figura 4.18- Ventana para la inserción de funcionamiento 122
Figura 4.19- Ventana para la inserción de datos de la Barra 124
Figura 4.20- Ventana para la inserción de datos de Condiciones Ambientales 125
Figura 4.21- Corrección del Nusselt 126
Figura 4.22- Ventana para la inserción de datos de Datos adicionales 126
Figura 4.23- Tabla de resultados de los valores calculados seleccionados 128
Figura 4.24- Ventana ‘Ayuda’ mostrando la ficha ‘Generales’ 129
Figura 4.25- Tabla comparativa de cálculos 129
XII
DERECHOS RESERVADOS
- 16 -
INDICE DE APÉNDICES
Apéndice A: Cálculo de Cadena de Aisladores 146
Apéndice B: Temperatura Superficial del Conductor 151
Apéndice C: Efecto Corona 158
Apéndice D: Carga Total Resultante 168
XIII
DERECHOS RESERVADOS
- 17 -
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo de grado surge de la necesitad de disponer herramientas de
apoyos para facilitar las actividades de diseño involucradas en la selección de los
elementos que integran el sistemas de barras flexibles de una subestación eléctrica;
debido a que en las mismas deben ser considerados los aspectos eléctricos de
funcionamientos normal y en condiciones de fallas, y los meteorológicos, como son: la
velocidad del viento, temperatura ambiente, radiación solar, altitud, presencia del hielo,
entre otros, así como las condiciones sísmicas de las zonas que afectan las
características mecánicas y las flechas de los conductores.
En vista de que son muchas variantes a considerar, el proceso de diseño es
complejo y está asociado al uso de muchas ecuaciones matemáticas y selección de
parámetros, que implican un proceso de cálculo engorroso, tedioso, repetitivo y extenso
que deben ser ejecutado para satisfacer las exigencias eléctricas y mecánicas que
deben poseer los conductores flexibles y aisladores, conjuntamente con los soportes de
los juegos de barras de una subestación.
Por tal motivo, el objetivo de esta investigación fue elaborar un software para el
diseño de barras flexibles para subestaciones eléctricas asistido por computadora:
utilizando el método de cálculo propuesto por la normativa vigente, ara disponer de una
herramienta de apoyo en dicho complicado proceso.
Para cumplir con este objetivo, la investigación se desarrolló en cuatro
capítulos. En el primer capítulo, denominado El Problema, se presenta la motivación de
la investigación, se perfilan los objetivos específicos, se resalta justificación y la
importancia, así como la delimitación de la misma.
En el Capítulo II: titulado Marco Teórico, se incluye los antecedentes que
sirvieron de plataforma, al igual se describe detalladamente el procedimiento
establecido para el diseño apropiado de una barra flexible, de acuerdo a los requisitos
DERECHOS RESERVADOS
- 18 -
establecidos en las normas que rigen las instalaciones de una subestación eléctrica; así
como los aspectos de funcionamiento que la misma debe satisfacer.
En el tercer capítulo, se hace referencia al marco metodológico, abarcando el tipo
y diseño de la investigación utilizada, la descripción de la población y la muestra, las
técnicas de recolección de datos, y las fases en las cuales fue dividida la investigación ;
a fin de seguir un procedimiento científico sistemático y organizado para cumplir los
objetivos específicos planteados.
En el cuarto capítulo denominado Análisis e Interpretación de Resultados, se
identifica el proceso de cálculo para el diseño de barras flexibles de subestaciones
eléctricas, se llevó a cabo un proceso de análisis de lo establecido en la norma vigente,.
Para identificar este proceso se seleccionó un ejemplo que fue desarrollado mediante
cálculos manuales, aplicando el mencionado método de cálculo establecido por
bibliografías reconocida internacionalmente aplicado en diseño de barras flexibles, que
permitió precisar los requerimientos del software y la filosofía del mismo, dividiéndolos
en tres módulos; a partir de estos elementos se selecciono la plataforma computacional
y el lenguaje de programación para elaborar las pantallas con sus correspondientes
algoritmos y codificación lográndose la herramienta computacional que facilita el diseño
de barras flexibles.
El cabal funcionamiento fue comprobado mediante la comparación de resultados
arrojados por el programa con cálculos realizados manualmente en casos de estudios
previamente seleccionados.
Finalmente se exponen las conclusiones y recomendaciones de la investigación,
complementados con diversos anexos, apéndices, diagramas, entre otros.
DERECHOS RESERVADOS
- 19 -
DERECHOS RESERVADOS
- 20 -
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1-PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La generación de energía eléctrica se lleva a cabo mediante técnicas muy
diferentes, las que suministran las mayores cantidades y potencias de electricidad
aprovechan un movimiento rotatorio para generar corriente continua en un dinamo o
corriente alterna en un alternador. La generación de energía eléctrica es una actividad
humana básica, ya que está directamente relacionada con los requerimientos actuales
del hombre. Todas las formas de utilización de las fuentes de energía, tanto las
habituales como las denominadas alternativas o no convencionales, agreden en mayor
o menor medida el ambiente, siendo de todos modos la energía eléctrica una de las que
causan menor impacto.
Los problemas que tiene la electricidad para su almacenamiento y transporte a
largas distancias, son retos técnicos aún no resueltos de forma suficientemente eficaz.
La demanda de energía eléctrica de una ciudad, región o país tiene una variación a lo
largo del día. La generación de energía eléctrica debe seguir la curva de demanda y, a
medida que aumenta la potencia demandada, se debe incrementar el suministro.
Esto conlleva el tener que iniciar la generación con unidades adicionales,
ubicadas en la misma central o en centrales reservadas para estos períodos. La
generación simplemente es transformar alguna clase de energía no eléctrica, sea ésta
química, mecánica, térmica o luminosa, entre otras, en energía eléctrica. Para la
generación industrial se recurre a instalaciones denominadas centrales eléctricas, que
ejecutan alguna de las transformaciones citadas, éstas constituyen el primer escalón del
DERECHOS RESERVADOS
- 21 -
sistema de suministro eléctrico. La misma central eléctrica busca transferir su energía a
otras subestaciones, a través de una línea de transmisión, que es una estructura
material utilizada para dirigir la transmisión de energía en forma de ondas
electromagnéticas, comprendiendo el todo o una parte de la distancia entre dos lugares
que se comunican.
Ahora bien, una subestación eléctrica es usada para la transformación de la
tensión o para distribuir el flujo de la energía eléctrica. Las subestaciones eléctricas
elevadoras se ubican en las inmediaciones de las centrales eléctricas para aumentar la
tensión de salida de sus generadores. Cerca de las poblaciones y de los consumidores,
se encuentran las subestaciones eléctricas reductoras que reducen el nivel de tensión
para que sea apto para su uso por medianos consumidores (fábricas, centros
comerciales, hospitales, entre otros). Dicha reducción tiene lugar entre tensiones de
transmisión a tensiones de distribución.
Los elementos principales de una subestación eléctrica, se clasifican en tres
categorías: equipos de patio; es decir, conjunto de equipos y barrajes que tienen el
mismo nivel de tensión y están localizados en el mismo sector o área de la subestación
equipos de tableros y servicios auxiliares, además requiere de un conjunto de
estructuras y soportes que facilitan la llegada y salida de las líneas. También poseen
adecuados sistemas de apantallamiento y contra sobretensiones asociados a una malla
de tierra, así como diferentes tipos de aisladores, una amplia variedad de conectores
para la unión de elementos, al igual que barras colectoras en donde convergen los
flujos de potencia dispuestas en formas diversas según la configuración de la estación.
En cuanto a los tipos de barras se pueden mencionar a las barras rígidas y las
barras flexibles. Las barras rígidas de una subestación son fabricadas con tubos o
barras metálicas que son sostenidas con aisladores rígidos. Este tipo de barra podría
tener forma de una construcción de puente de autosoporte en algunos casos; y las
barras flexibles, son aquellas fabricadas por un material dúctil, las cuales se pueden
elongar debido a su flexibilidad.
DERECHOS RESERVADOS
- 22 -
Para los tipos de barra en subestaciones se pueden mencionar varios tipos de
materiales de los cuales se construyen como: conductores de cobre, aluminio, aleación
de aluminio o ACSR, los cuales deben garantizar condiciones mecánicas apropiadas
para los vanos de instalación, soportar los esfuerzos electrodinámicos presentes en las
subestaciones y proveer un medio de transporte de corriente de capacidad adecuada
de acuerdo con los niveles de potencia que puedan considerarse en los sistemas de
alta y extra alta tensión.
Para seleccionar el tipo de barra más apropiado a las características de la
subestación, se deben considerar una variedad de factores como lo son: la temperatura
superficial de conductores flexibles para la cual se deben tener en cuenta dos aspectos,
el eléctrico y el meteorológico, siendo este un tema importante a ser tenido en cuenta,
ya que los parámetros meteorológicos influencian el estado térmico del conductor. El
proceso de selección del conductor depende del material y forma del mismo, los
aisladores y sus accesorios, las distancias entre apoyos y entre fases, buena
conductividad eléctrica, alta capacidad de corriente, buena resistencia en cortocircuitos,
débil intensidad de campo exterior (efecto corona), superficies lisas, excelente
resistencia a la corrosión.
Por otra parte, el diseño se hace basándose en los esfuerzos estáticos y
dinámicos a que están sometidas las barras, y de acuerdo a las necesidades de
conducción de corrientes y la disposiciones físicas, calentamiento por efecto joule,
calentamiento solar, enfriamiento por convección, enfriamiento por radiación, aumento
de temperatura en conductores (flexibles en aire) y densidad de corriente en
cortocircuito, efecto corona en conductores, espaciamiento entre haces de conductores,
evaluación de cargas, cálculo de tensiones mecánicas y flechas en conductores
flexibles, flecha máxima, capacidad de resistencia de la barra, además, el cálculo de
esfuerzo electromecánico, efecto del viento sobre el conductor , efectos sísmicos, la
flexión máxima de la barra, momento máximo de flexión, la capacidad de resistencia del
conductor y los efectos de la carga de hielo.
DERECHOS RESERVADOS
- 23 -
El procedimiento de cálculo de barras, implica el uso de ecuaciones con variedad
de constantes que se obtienen de la información suministrada por fabricantes de
conductores eléctricos y aisladores, al igual que otros para considerar los efectos
térmicos, sísmicos entre otros Para el cálculo de la temperatura de los conductores se
deben tener en cuenta dos aspectos, el eléctrico y el meteorológico, siendo este un
tema importante a ser tenido en cuenta, ya que los parámetros meteorológicos
influencian el estado térmico del conductor., éste está afectado principalmente por la
velocidad del viento, su dirección y turbulencia, la temperatura ambiente y la radiación
solar. Generalmente en este proceso, es necesario verificar que ciertos parámetros
cumplan especificaciones previamente definidas, apegadas a la correspondiente
normativa, y por ello, es usual repetir cálculos hasta lograr satisfacer los criterios
preestablecidos.
Por ende, el tiempo de cálculo global para diseñar una subestación es
sumamente alto; y es lo que hace plantear la interrogante sobre si se podrá disminuir
este tiempo, para aprovecharlo en otros tipos de estudios o actividades intrínsecas de la
ingeniería de diseño.
Es por todo lo antes expuesto, que se propuso este trabajo especial de grado
para desarrollar un software que facilite el proceso de diseño de las barras flexibles de
una subestación eléctrica, sistematizando el amplio y tedioso conjunto de
consideraciones técnicas y cálculos asociados, garantizando la precisión de los
mismos, y asegurando el cumplimiento de lo establecido en las normas vigentes que
rigen a este tipo de instalaciones eléctricas.
1.2- FORMULACIÓN DE PROBLEMA:
Según lo antes planteado, se desea conocer:
¿Cuál es el procedimiento requerido para el diseño apropiado de
una barra flexible, de acuerdo a los requisitos establecidos en las normas que
rigen las instalaciones de una subestación eléctrica?
DERECHOS RESERVADOS
- 24 -
¿Cómo se realiza un software apropiado para el diseño de barras
flexibles, de acuerdo a los requisitos establecidos en las normas que rigen las
instalaciones de una subestación eléctrica?
1.3-OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.3.1- OBJETIVO GENERAL
Elaborar un software para el diseño de barras flexibles para subestaciones
eléctricas asistido por computadora.
1.3.2- OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar el proceso de cálculo establecido en la normativa vigente para
el diseño de barras flexibles de subestaciones eléctricas.
Definir los requerimientos del software en función del procedimiento de
diseño establecido para barras flexibles de subestaciones eléctricas.
Definir la filosofía de operación del software para el diseño de barras
flexibles de subestaciones eléctricas.
Seleccionar la plataforma computacional para el desarrollo del software.
Desarrollar el software en la plataforma computacional seleccionada.
Comprobar el funcionamiento del software.
1.4- JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Este trabajo surge por el hecho de que aportará una solución válida desde el
punto de vista técnico y operativo, debido a que se tendrá como producto un software
para el diseño de barras flexibles de una subestación. Esta investigación enriquecerá
los conocimientos del autor en lo referente al diseño de barras flexibles, permitiéndole
fortalecer la formación académica asociada a esta línea de investigación, así como
desarrollar destrezas para enfrentar el futuro desempeño profesional.
DERECHOS RESERVADOS
- 25 -
Al ser conocedor y estar vinculado con esté proceso del diseño del software para
el diseño de barras flexibles para subestaciones eléctricas asistido por computadora, se
tiene la finalidad de expandir y descubrir los diversos componentes para su aplicación,
aprobación y validez en el área. Entonces, se buscará conocer el beneficio que este les
puede brindar a los trabajadores en el área de la ingeniería eléctrica, ya que su creación
beneficiará el trabajo de los ingenieros, dedicados a este proceso, ya que busca reducir
el tiempo empleado para el procedimiento del diseño de una subestación eléctrica;
además de motivarlos en la realización de otros diseños, tal y como podría ser la misma
barra rígida, el apantallamiento, la malla a tierra, distancias de seguridad, entre otras,
para buscar la automatización total del diseño de una subestación eléctrica.
De igual manera, con el software se podrá tener mayor garantía de la validez de
los elementos seleccionados, pues habrá mayor precisión en los cálculos y el fiel
cumplimiento de la normativa vigente, ya que de los mismos se minimiza la incidencia
del factor humano.
1.5. DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
La presente investigación se delimitará de la siguiente manera:
1.5.1- DELIMITACIÓN ESPACIAL
La investigación se realizó en la Universidad Rafael Urdaneta, Sede Vereda del
Lago, ubicada en la Avenida 2, el Milagro con calle 86, de la Ciudad de Maracaibo
Estado Zulia.
1.5.2- DELIMITACIÓN TEMPORAL
Esta investigación se realizó en el lapso comprendido entre el mes de Mayo de
2009 hasta Diciembre de 2009.
DERECHOS RESERVADOS
- 26 -
1.5.3- DELIMITACIÓN CIENTÍFICA
La presente investigación está enmarcada en el ámbito de la Ingeniería
Eléctrica, dentro del área de Potencia, y será desarrollado dentro de la Sub- área de
Subestaciones Eléctricas.
DERECHOS RESERVADOS
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DERECHOS RESERVADOS
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN.
En relación con el desarrollo de la presente Tesis, se consultaron algunos
trabajos, los cuales han servido de apoyo a la misma realizadas en la ciudad de
Maracaibo-Venezuela.
Hernández y Taborda, (2000), realizaron el trabajo especial de grado
titulado: “Desarrollo de un software educativo para la cátedra Teoría Electromagnética”
Escuela Ingeniera Computación de la Universidad DR. Rafael Belloso Chacin.
El objetivo general consistió en desarrollar un software educativo para la cátedra
Teoría electromagnética I, los objetivos específicos fueron analizar la situación de la
esta cátedra, determinar los requerimientos para la construcción del software,
esquematizar el proceso de diseño del software educativo y materializar el software
educativo siguiendo la metodología escogida de acuerdo a los requerimientos
propuestos.
La investigación se definió de tipo descriptiva y tipo aplicada, ya que tiene como
objetivo principal presentar la solución de un problema en un periodo corto. La
metodología utilizada para la elaboración del software educativo, fue un hibrido
considerando la proposición de Montilva (1995) llamada metodología estructurada para
el desarrollo de sistemas de información (ME.DSI); por otra parte se optó por la
metodología del Dr. Pere (1998) titulada metodología para la elaboración de software
educativo. Otro apoyo metodológico fue la de Brian, citado por Vaughan(1995), donde
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selecciona fase de análisis, por último el estudio de la metodología de Castro(1996)
denominado metodología para el desarrollar un proyecto multimedia empleada
específicamente en la fase de construcción del software Para el desarrollo de la
investigación se revisaron varios autores tales como: Vaughant y Castro, Álvarez, R.,
obteniendo como resultado un sistema de autoaprendizaje, desarrollado en Macromedia
author ware 4.0 que motiva el interés por parte del alumno. Teniendo un esquema de
construcción del software el cual se plantea:
Fase 1: Definición del Proyecto: comprende la fase inicial del proyecto, que
motivan el desarrollo del software; Fase 2: Análisis: donde se determina un estudio
formal del ambiente objeto de la implantación del software y estudian condiciones
necesarias para el software y desarrollo del mismo. Se divide en 3 etapas: análisis de
destinatarios, análisis del ambiente, análisis de contenido; Fase 3: Diseño detallado:
donde se desarrollan las siguientes especificaciones: mapas de navegación, pantallas
principales y pantallas de esquemas, menús, guion de reproducción, actividades
interactivas que poseerá el software; Fase 4: Construcción del software: una vez
establecido el diseño completo, se comienza la construcción del software, donde se
propone construcción de archivos y vinculación con los mismos; Fase 5: Pruebas del
software: la misma se refiere a la realización de pruebas para verificar el buen
funcionamiento del sistema tratando después todas las fallas.
Esta fase trata de lo que son las pruebas del subsistema, donde trabaja con la
interfaces entre los programas para detectar problemas de intercambio de datos,
archivos, parámetros, y asegurar que pueda ejecutar en el orden y secuencia requerida.
Este trabajo resulta relevante para esta investigación, debido a que se busca
diseñar un software para el diseño de barras flexibles para subestaciones eléctricas
asistido por computadora, y la metodología empleada sirvió como esquema
fundamental para el desarrollo del software.
Otra investigación utilizada como antecedente es la de Ortigoza Ruiz, Ernesto
Rafael. Salcedo, Diannorah María, (1995), en su trabajo especial de grado “Diseño de
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Mallas de tierras en Subestaciones de alta y mediana Tensión con ayuda del
computador digital y un nuevo algoritmo computacional”. Universidad del Zulia.
Facultad de Ingeniería. Escuela de Eléctrica 1995.
El objetivo general de este trabajo fue la elaboración de un programa para
computadoras utilizando el lenguaje Turbo C++ el cual se aplicara en el diseño y
estudio de los sistemas de puesta a tierra bajo condiciones de fallas, los objetivos
específicos fueron calculo y construcción de la matriz de resistencias propias y mutuas
de los conductores que se forman parte de la malla, Calculo de la distribución de
corriente en cada uno de los conductores de la malla, elevaciones de potencial de la
malla con respecto a tierra remota (GPR) y resistencia de entrada de la malla de puesta
a tierra a Calculo de las elevaciones de potencial, voltaje de toque y voltajes de pasos
en cualquier punto de la superficie sobre la malla de tierra.
La investigación es de tipo descriptiva y de tipo aplicada, ya que tiene como
objetivo principal presentar la solución de un problema particular de Pequiven aplicarle
el programa según la norma IEEE. La metodología que utilizaron fue en base a la
investigación elaborada por Mukhedar, D, Dawalibi, F y Heppe, R. J los cuales
determinaron que métodos de análisis anteriores, como por ejemplo, el IEEE std-80,
enfrentan el problema de la determinación de los gradientes en la superficie asumiendo
que las corrientes son las mimas, tanto en los conductores que se encuentran en el
borde, como en el centro de la malla, lo cual no es cierto en la práctica y produce
resultados erróneos además los parámetros geométricos correspondientes a las mallas
deben situarse dentro de ciertos límites, los conductores a barras a deben estar
igualmente espaciadas o rectangulares.
Todas las limitaciones reseñadas arriba son superadas en el trabajo de grado,
puesto que en este se implementan adecuadamente los fundamentos teóricos de los
investigadores mencionados anteriormente. Para comprobar que el programa
funcionaba correctamente, se crearon los cálculos teóricos correspondientes a una
malla de tierra de cuatro conductores y se confrontaron con los resultas arrojados por el
programa; también se compararon los resultados producidos por el programa
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desarrollado con los obtenidos mediante el programa “EDSA” analizar dos mallas de
puesta a tierra localizadas en Pequiven.
Este trabajo especial de grado, sirvió de ayuda para establecer los requerimientos
y especificaciones técnicas para el desarrollo de un manual del programa realizado para
el entendimiento del usuario, además aporta metodologías para seguir los pasos
necesarios para la programación de un software.
En otra investigación de Barrios Gonzales, Román Enrique y Márquez Luzardo
Lisbeth Carolina María, (2007) en el trabajo de grado “Diseño asistido por
computadoras para cálculos de instalaciones eléctricas a nivel residencial”
Maracaibo. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Eléctrica.
El objetivo general fue desarrollar una herramienta computacional en ambiente
Windows para el diseño de canalizaciones eléctricas a nivel residencial, que permita
cumplir con las exigencias de tiempo y aumente la eficiencia de los resultados, los
objetivos específicos fueron establecer todos los cálculos relacionados con
instalaciones eléctricas mediante revisión bibliográfica, realizar una revisión al lenguaje
de programación Matlab mediante consulta bibliográfica especializada, desarrollar
algoritmos para los cálculos de las instalaciones eléctricas y posteriormente
programarlos, validar la herramienta computacional diseñada comparando con
resultados obtenidos manualmente, así como con otros programas ya existentes,
elaborar el manual del usuario paquete diseñado, para facilitar el uso del mismo.
La investigación es de tipo aplicada, documental. Se desarrolló el programa Kner,
que permite el cálculo de instalaciones eléctricas residenciales unifamiliares y
multifamiliares de forma computarizada a través de la herramienta computacional
Matlab en su versión 7.0. Los criterios de diseño están basados en el CEN (Código
Eléctrico Nacional). Los análisis de resultados se realizaron mediante comparaciones
con ejemplos, algunos resueltos manualmente y otros a través de programas ya
realizados, agilizando de esta forma los laboriosos cálculos presentes en el diseño de
proyecto de canalizaciones eléctricas. Kner genera un informe de resultados a través de
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un archivo en formato Excel, el cual se puede guardar como un archivo texto e imprimir
al momento de finalizar el cálculo.
Este trabajo especial de grado, sirvió de ayuda para definir la metodología, debido
que tiene gran similitud en cuanto al desarrollo de algoritmos asociados a cálculos
laboriosos asistido por computadora, y también facilitando el proceso de selección del
método de programación.
2.2- BASES TEÓRICAS
Esta investigación se sustentará en CIGRE Study Committee 23 (Substations)
Working Group 23-11 (Substations and Environnement) ESCC Task Force (Effects of
Short-Circuit Currents) (1996), en la IEC Publicación 865. Calculation of the Effects of
Short- Circuit Currents. Geneve: IEC, (1986) y RAMÍREZ, C. (1989) Subestaciones de
Alta Y Extra Alta Tensión.
2.2.1 SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
Una subestación eléctrica es la exteriorización física de un nodo de un sistema
eléctrico de potencia, en el cual la energía se transforma a niveles adecuados de
tensión para su transporte, distribución o consumo, con determinados requisitos de
calidad. Está conformada por un conjunto de equipos utilizados para controlar el flujo de
energía y garantizar la seguridad del sistema por medio de dispositivos automáticos de
protección.
Una subestación puede estar asociada con una central generadora, controlando
directamente el flujo de potencia al sistema, con transformadores de potencia
convirtiendo la tensión de suministro a niveles más altos o más bajos, o puede conectar
diferentes rutas de flujo al mismo nivel de tensión. Algunas veces una subestación
desempeña dos o más de estas funciones.
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Básicamente una subestación consiste en un número de circuitos de entrada y
salida, conectados a un punto común, barraje de la subestación, siendo el interruptor el
principal componente de un circuito y complementándose con los transformadores de
instrumentación, seccionadores y pararrayos, en lo correspondiente a equipo de alta
tensión, y con sistemas secundarios como son los de control, protección,
comunicaciones y servicios auxiliares. Entre los tipos de configuraciones se pueden
mencionar:
Barra sencilla (Figura 2.1)
Barra sencilla Fuente: Ramírez (1994)
Barra principal y de Transferencia (Figura 2.2)
Barra principal y de transferencia Fuente: Ramírez (1994)
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Doble barra (Figura 2.3)
Doble Barra Fuente: Ramírez (1994)
Doble barra mas barra de transferencia (Figura 2.4)
-Doble Barra mas barra de transferencia Fuente: Ramírez (1994)
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Doble barra mas BY-PASS (Figura 2.5)
Doble Barra mas By-pass o pase directo Fuente: Ramírez (1994)
Anillo (Figura 2.6)
Anillo Fuente: Ramírez (1994)
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Interruptor y medio (Figura 2.7)
Interruptor y medio Fuente: Ramírez (1994)
Doble interruptor (Figura 2.8)
Doble interruptor Fuente: Ramírez (1994)
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2.2.2 CARGAS
Son todas aquellas acciones que son producidas por diferentes fenómenos
físicos, tales como: efectos gravitacionales (cargas de peso propio y hielo), viento,
sismo y cortocircuito.
2.2.3 ESFUERZO
Efecto de la carga sobre la sección transversal de .un cuerpo, intensidad de
fuerza por unidad de área.
2.2.4 FLECHA
Deformación de un cuerpo por efecto de las cargas que actúan sobre él.
2.2.5 TEMPERATURA MÁXIMA
Valor más alto de la temperatura a la cual operan los conductores o barras sin
modificar sus propiedades electromecánicas.
2.2.6 BARRAJE
Punto común de conexión de los diferentes circuitos asociados a una
subestación (nodo del sistema).
Tipos de barras:
Barra rígida: son fabricadas con tubos o barras metálicas que son sostenidas
con aisladores rígidos. Este tipo de barra podría tener forma de una construcción de
puente de autosoporte en algunos casos.
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Barra flexible: son aquellas fabricadas por un material dúctil, las cuales se
pueden elongar debido a su flexibilidad sin producir su fractura. Algunos materiales de
barras flexibles son:
AAC: conductor de aleación de aluminio.
ACAR: conductor de aleación de aluminio reforzado.
ACSR: conductor de aluminio reforzado con acero.
A continuación se establecen los criterios que se deben tener en cuenta para la
correcta selección de conductores en subestaciones de alta y extra alta tensión. Para
las conexiones en subestaciones se pueden considerar conductores de aluminio,
aleación de aluminio o ACSR, los cuales deben garantizar condiciones mecánicas
adecuadas para los vanos de instalación, soportar los esfuerzos electrodinámicos
presentes en las subestaciones y proveer un medio de transporte de corriente de
capacidad adecuada de acuerdo con los niveles de potencia que puedan considerarse
en los sistemas de alta y extra alta tensión. Es de anotar que, en subestaciones de alta
y extra alta tensión, es muy limitado el uso de conductores de cobre.
En algunas subestaciones pueden requerirse conexiones especiales (paso sobre
vías de mantenimiento de equipos, por ejemplo), diseño en áreas restringidas y, por
ende, con anchos de campos reducidos o corrientes nominales y de cortocircuito
elevadas, lo que implica la utilización de barras rígidas (tubos de aluminio o aleación de
aluminio).
Las características principales que se buscan en un conductor, bien sea cable o
conductor tubular, son las siguientes:
Buena conductividad eléctrica
Alta capacidad de corriente
Buena resistencia en cortocircuitos
Débil intensidad de campo exterior (efecto corona)
Superficies lisas
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Excelente resistencia a la corrosión
Ligereza (conductores tubulares).
En la Tabla 2.1 se presentan las principales características físicas de los metales
cobre, aluminio, acero y aleación de aluminio reforzado de acero (ACSR), las cuales
son necesarias para la selección adecuada de los conductores hechos de estos
materiales.
Tabla 2.1.- Características materiales
Descripción Unidad Cobre (Cu) Aluminio(AL) ACSR Acero
Resistividad a 20°C Ω/m 1,7x1 0-8 3,4x10-8 7 x10-5 2,9x10-8
Capacidad térmica específica
a 20°C(ς )
J/kg °C 390 910 910 480
Densidad (ρ ) kg/m3 8900 2700 2700 7850
Coeficiente de variación de resistencia con la temperatura
( 20α )
1/°C 0,00393 0,004 0,004 0,045
Coeficiente de expansión
lineal
1/°C 16,8 x10-6 23,0 x10-6 23,0 x1 0-6 11,5 x10-6
Módulo de Young típico (conductores entorchados)
N/m2 12,0 x1010 6,0 x1010 6,0 x1010 21,Ox101O
Conductividad específica a 20°C (K20)
1/Ωm 56 x106 34,8 x106 34,8 x1 06 7,25 x106
Temperatura más elevada del material durante cortocircuito
°C 200 200 200 300
Fuente: Ramírez (1994)
2.2.7 Corriente asignada
En la determinación de la capacidad de corriente de los conductores de una
subestación fe deben tenerse en cuenta los siguientes factores: corriente de la carga,
temperatura ambiente, velocidad de viento y radiación solar. La determinación de la
temperatura límite de los conductores se hace necesaria para garantizar que: no se
excederá la temperatura límite de diseño de los cables, establecida de acuerdo con las
normas internacionales (70°C para conductores de cobre y 80°C para conductores de
DERECHOS RESERVADOS
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aluminio, de acuerdo con la norma DIN 48201 (1981a, 1981b, 1981c, con el objeto de
no alterar las propiedades mecánicas del material.
Las flechas de los conductores en condiciones de máxima temperatura
permanecerán dentro de límites tales que no permitan disminución de las distancias
eléctricas de seguridad entre fases o a tierra, de tal forma que no se produzcan flámeos
durante condiciones de viento o cortocircuito.
a) Temperatura superficial de conductores flexibles
Para el cálculo de la temperatura de los conductores se deben tener en cuenta
dos aspectos, el eléctrico y el meteorológico, siendo este un tema importante a ser
tenido en cuenta, ya que los parámetros meteorológicos influencian el estado térmico
del conductor. Éste está afectado principalmente por la velocidad del viento, su
dirección y turbulencia, la temperatura ambiente y la radiación solar.
Para el cálculo de la temperatura en el conductor se recurre a un balance de
energía [CIGRÉ (1992)], balance que sólo es posible si se trabaja con la premisa de
que la corriente de carga es la misma, tanto para corriente alterna como para corriente
directa a igual temperatura del conductor. Este balance está dado por:
pg Q Q 2.1Ecuación
wreismj P P P P P P P 2.2Ecuación
Donde:
Qg: Calor ganado
Qp: Calor perdido
Pj: Calentamiento por Efecto Joule
Pm: Calentamiento por efecto magnético
Ps: Calentamiento solar
Pi: Calentamiento por efecto corona
Pe: Calentamiento por convección
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Pr: Calentamiento por radiación
Pw: Calentamiento por evaporación
El calentamiento por efecto corona es únicamente significativo con gradientes
superficiales de tensión elevados, los cuales se presentan durante lluvias y alto viento
que es cuando el enfriamiento por convección y evaporación es elevado. Para casos
prácticos, el calentamiento por efecto corona se considera nulo (Pi=0). El calentamiento
por efectos magnéticos es debido a la presencia de flujos magnéticos los cuales
producen calentamiento debido a la generación de corrientes de Eddy, histéresis y
viscosidad magnética; este fenómeno solo ocurre en corriente alterna y puede
considerarse no significativo (Pm =0).
Debido a que el enfriamiento por evaporación no es alterado significativamente
por el vapor de agua presente en el aire o con las gotas de agua, se considera no
significativo (Pw= 0). Con las anteriores premisas, la ecuación de balance de energía se
convierte en:
resj P P P P 2.3Ecuación
Calentamiento por Efecto Joule
El calentamiento por efecto Joule (debido a la resistencia del conductor), está
dado por la siguiente relación:
m W/ 20)], - (T α[1 R I kP avcd2
jj 2.4Ecuación
Donde:
: Coeficiente de temperatura de la resistencia, K-1
avT : Temperatura media superficial del conductor, C°
cdR : Resistencia del conductor, Ω/m
I: Corriente directa a través del conductor, A
jk : Factor de efecto pie, jk = 1.0123
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Calentamiento Solar:
Para el cálculo del calentamiento solar se emplea la fórmula siguiente:
m W/ D, S P s s 2.5Ecuación
Donde:
s : coeficiente de absorción de la superficie del conductor, que varía entre 0,27 para
conductores nuevos de aluminio trenzado y 0,95 para conductores expuestos a ambientes
industriales. Para otro tipo de propósitos el valor de 0,5 puede ser utilizado.
S: radiación solar, W/m2, valor obtenible de los mapas de brillo y radiación solar de la zona de
instalación de la subestación. En general, para subestaciones en el trópico, puede utilizarse un
valor de 1150 W/m2.
D: diámetro exterior del conductor, m.
Enfriamiento por Convección:
Para el cálculo del enfriamiento por convección se utilizan ciertas constantes que
permiten estimar la transferencia de calor por convección. El enfriamiento por
convección está dado por la siguiente expresión:
m W / ,Nu TTλ πP asf e 2.6Ecuación
Donde:
fλ : Conductividad técnica del aire, W/mK
Ta: temperatura ambiente, C°
Ts: temperatura superficial del conductor, C°
NU =90: número de Nusselt a 90°.
Para determinar los valores de fλ y Nu se deben emplear las siguientes relaciones:
m W / , T 107.2x 102.42x λ f5-5
f 2.7Ecuación
DERECHOS RESERVADOS
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C , TT 0.5 T asf 2.8Ecuación
Siendo f T la temperatura de capa.
R BNU ηe190δ 2.9Ecuación
Donde los valores de las constantes B1 y dependen del número de Reynolds y de la
rugosidad de la superficie del conductor, la cual está dada por:
dD
d R f 22
2.10Ecuación
VD
R re 2.11Ecuación
or
o H 0 1 x 1.16
r
4
eρ 2.12Ecuación
/sm, T 10 x 9.5 10 x 32 1.υ 2f
85 2.13Ecuación
Donde:
d: diámetro de un hilo del conductor, m
D: diámetro del conductor, m
Re: número de Reynolds
V: velocidad del viento, m/s (para subestaciones nuevas V =0,5 m/s)
H: altura sobre el nivel del mar, m
: Densidad del aire en el sitio
o: densidad del aire a nivel del mar
r: densidad relativa del aire; en la Figura 2.9 se ilustra la variación de la densidad relativa del
aire con la altura
υ: Viscosidad cinemática del aire, m2/s.
DERECHOS RESERVADOS
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En la tabla 2.2 se detallan los valores de las constantes asociadas al número de
Nusselt.
Tabla 2.2- Constantes B1 y [CIGRÉ (1992)]
Superficie Re B1
Desde Hasta
Superficies totalmente
trenzadas
102 2.65x103 0.641 0.471
Conductores trenzados con
Rf ≤0,05
>2.65x103 5x104 0.178 0.633
Conductores trenzados con
Rf > 0,05
>2.65x103 5x104 0.048 0.800
Fuente: Ramírez (1994)
Velocidad relativa del Aire (Figura 2.9)
Velocidad relativa del aire Fuente: Ramírez (1994)
El viento juega un papel importante en el cálculo del enfriamiento por convección,
por lo cual se pueden realizar algunas correcciones en el valor del número de Nusselt,
las cuales son función del ángulo de impacto del viento. Considerando las condiciones
DERECHOS RESERVADOS
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más desfavorables para un viento de baja velocidad (V < 0,5 m/s) puede tomarse un
factor de corrección del número de Nusselt de 0,55, así:
0 9 δ δ NU 0.55NU 2.14aEcuación
O, en su defecto, recurrir a las siguientes relaciones para el cálculo del número
de Nusselt Nu
1 m210 9 δ δ δSen BANU NU 2.14bEcuación
Donde:
: Ángulo de incidencia del viento, °
A1, B2, m1: constantes:
24<δ< 0 si
1.08 m
0.68 B
0.42A
1
2
1
90<δ 24 si
0.90 m
0.58 B
0.42A
1
2
1
Cuando se tenga que el viento fluye paralelamente al conductor, el valor del número
de Nusselt se obtiene como NU δ =0.42NU δ =90
Enfriamiento por Radiación:
Es suficientemente preciso obtener esta pérdida a partir de la siguiente relación:
W/m, 273T 273T σ D ξ P 4a
4sBr 2.15Ecuación
DERECHOS RESERVADOS
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Donde:
ξ: emisividad solar, depende del material; valor 0,27 para conductores nuevos y 0,95 para
conductores expuestos a ambientes industriales, el valor recomendado es de 0,5.
Bσ : constante de Stefan - Boltzmann, 5,6697x10-8 W/m2/K4.
En la ecuación de balance de energía se deben remplazar todos los términos
indicados anteriormente y, posteriormente, recurrir a iteraciones variando el valor de Ts,
hasta obtener que Qg =Qp, situación en la que se tendrá la temperatura superficial del
conductor.
b) Aumento de temperatura en conductores (flexibles en aire) y densidad de
corriente en cortocircuito:
El aumento de temperatura en el conductor a causa de un cortocircuito es función
del tiempo de duración del mismo, del equivalente térmico para las corrientes de corta
duración y del material del conductor [CIGRÉ (1996)]. Para el cálculo del aumento de
temperatura del conductor se supone que las pérdidas de calor durante un cortocircuito
son bajas y se considera que el calentamiento es adiabático. Dado lo anterior, es
necesario determinar la densidad de corriente soportada por el conductor, que a su vez
se refleja en el aumento de su temperatura superficial. Para ello se debe calcular la
densidad de corriente soportada en corto tiempo, así:
2
k1
thr A/m , t
K S 2.16Ecuación
20.5
b20
e20
20
0 2 /m As , 20θ α1
20θ α1ln
α
ρ ςKK
2.17Ecuación
Donde:
thr S : densidad de corriente soportada en corto tiempo, para 1 s, Alm2
K: factor de cálculo de la densidad de corriente thr S
DERECHOS RESERVADOS
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K20: conductividad específica, l/Qm
k1 t : tiempo duración cortocircuito, s
eθ : temperatura del conductor al final del cortocircuito, DC
bθ : temperatura del conductor al inicio del cortocircuito, DC
ς : capacidad térmica específica, J/kg °C
ρ : masa especifica, kg/m3
20α : coeficiente de variación de resistencia con la temperatura, 1/°C.
Los cuatro últimos datos corresponden a las constantes del material, dadas en la
Tabla 2.1. En las Figuras 2.10 y 2.11 se ilustra la variación de la temperatura del
conductor en cortocircuito en función de la densidad de corriente Sthr (para tkr = 1 s).
La densidad de corriente térmica equivalente 8thpara cualquier tiempo lb está dada en
función de la densidad de corriente de corta duración Sthr mediante la siguiente
ecuación.
2k1 thrth A/m ,
kt
t S S 2.18Ecuación
Temperatura conductores de aluminio, aleación de aluminio y ACSR en cortocircuito (Figura 2.10-)
Temperatura conductores de aluminio, aleación de aluminio y ACSR en cortocircuito
Fuente: Ramírez (1994)
DERECHOS RESERVADOS
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Temperatura conductores de cobre y acero en cortocircuito (Figura 2.11)
-
Temperatura conductores de cobre y acero en cortocircuito Fuente: Ramírez (1994)
2.2.8- BARRAJE DE CAMPO El calibre de los conductores que conforman el barraje de campo depende del límite
térmico del circuito de interconexión asociado (máxima cantidad de potencia que puede
transportarse por el circuito sin que los niveles de tensión caigan por debajo de niveles
deseados), los cuales son escogidos por la empresa de servicio.
2.2.9- BARRAJES COLECTORES Es imposible generalizar la capacidad de los barrajes colectores de una subestación
debido a que cada una de ellas es un caso diferente con respecto al flujo de corrientes
en sus barras y circuitos. Por este motivo, cada subestación debe ser estudiada
separadamente, previéndose todas las etapas de su crecimiento así como el flujo de
cargas en sus circuitos durante circunstancias normales y durante contingencias del
sistema.
DERECHOS RESERVADOS
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Por lo general, los circuitos en las subestaciones tienen flujos de carga
determinados, es decir, existe un flujo de energía de un área del sistema hacia otra,
pasando por subestaciones; estos flujos de energía pueden ir siempre en el mismo
sentido o pueden variar en forma periódica. Con base en esto, los circuitos se pueden
conectar a las barras colectoras de la subestación de tal manera que la capacidad de
estas sea la menor posible; así, algunas recomendaciones para la conexión de los
circuitos a las barras son las siguientes:
Conectar los circuitos de generación hacia el centro del barraje de la subestación.
Si es posible, alternar circuitos de carga (es decir, circuitos por los cuales la
energía, por lo general, sale de la subestación) con los circuitos de generación.
Colocar los circuitos de interconexión en los extremos de la subestación de tal
manera que no exista un flujo considerable entre los circuitos conectados en
extremos opuestos.
Alternar los circuitos de interconexión conectados de acuerdo con la dirección del
flujo normal, es decir, circuitos adyacentes deben tener flujos opuestos.
En subestaciones con dos circuitos por diámetro (por ejemplo interruptor y medio)
se debe tratar de que, con relación a la barra, tengan flujos de energía opuestos.
Cuando en subestaciones con configuraciones de doble barra se conectan los
circuitos alternadamente a las barras, debe preverse que no existan flujos
considerables de energía de una barra a la otra; en la conexión de un circuito a
una u otra barra se deben tener en cuenta las recomendaciones descritas en los
puntos anteriores.
Los equipos del campo de acople en configuraciones de doble barra deben tener
la misma capacidad de la barra colectora.
La barra de transferencia no es una barra colectora y por lo tanto se debe tratar
como una barra de campo. .
En subestaciones con configuración en anillo no existe una barra colectora como
en las demás configuraciones sino más bien un anillo colector formado por
equipos. La capacidad de estos y de los conductores que los conectan se debe
determinar abriendo el anillo en el punto de colocación de un interruptor y
DERECHOS RESERVADOS
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calculando la corriente que circularía en el resto de elementos; este
procedimiento se repite abriendo el anillo en los sitios de los demás interruptores
obteniéndose así la corriente máxima que circularía en cualquier caso de
apertura del anillo.
Una vez seleccionada la conexión de los circuitos a los barrajes colectores para
condiciones de flujo normal, se debe comprobar que esta conexión también es
válida para casos de contingencia.
Después de seleccionar la conexión de los circuitos a los barrajes colectores, se
procede a determinar la corriente máxima que circularía por cualquier tramo de la barra.
Es recomendable multiplicar dicha corriente por un factor de seguridad de por lo menos
1,15 para cubrir condiciones imprevistas.
2.2.10- EFECTO CORONA EN CONDUCTORES:
Una vez efectuada la selección del conductor por capacidad de corriente debe
verificarse que no se presente efecto corona. El efecto corona es una descarga
causada por la ionización del aire que rodea al conductor cuando éste se encuentra
energizado. Puede oírse un ruido tipo zumbido. El efecto es visible en la noche como
un resplandor de color violeta.
El efecto corona se debe al gradiente de potencial en la superficie de los
conductores y es dependiente del diámetro del conductor de fase. Los factores más
importantes que afectan las pérdidas por efecto corona son:
El diámetro del conductor
La rugosidad de la superficie del conductor
La humedad del ambiente y la altura sobre el nivel del mar en la cual se
encuentra la instalación.
En caso de que el gradiente de potencial en la superficie del conductor presente un
valor tal que se presenten pérdidas coronas considerables, se debe incrementar el
DERECHOS RESERVADOS
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radio del conductor o en su defecto utilizar un haz de conductores, de manera que el
radio equivalente sea alto y así disminuir el gradiente de potencial
a) CAMPO ELÉCTRICO DISRUPTIVO
El campo eléctrico disruptivo requerido (gradiente crítico) para que se presente
efecto corona puede expresarse por medio de la ecuación de Peek [IEC CISPR 18-1
(1982)]:
m / Kvrms ,
r ρ
0.308 1
2
m ρ 28.8x31E
r
ro
2.19Ecuación
Donde:
Eo: gradiente crítico disruptivo, kVp/m
Pr: densidad relativa del aire
r: radio del conductor, m
m: coeficiente superficial del conductor, puede ser calculado por la siguiente relación
Lg m m m 2.20Ecuación
mg: coeficiente geométrico del conductor
m L: coeficiente de limpieza del conductor.
Los valores típicos para estos coeficientes se ilustran en las Tablas 2.3 y 2.4 que se
presentan a continuación
Tabla2.3- Coeficiente Geométrico
Descripción mg
Conductores con sección completamente
circular
1,0
Conductores conformados con su capa de
conductores exterior entre 12 y 30
alambres
0,9
Conductores con capa exterior de 6
alambres
0,85
Fuente: Ramírez (1994)
DERECHOS RESERVADOS
- 52 -
Tabla 2.4- Coeficiente de limpieza
Descripción ML
Conductores nuevos y limpios 0,9
Conductores viejos y limpios 0,8
Conductores viejos y sucios 0,7
Conductores cubiertos con gotas de agua 0,5
Fuente: Ramírez (1994)
El valor de Pr puede ser determinado por la relación:
ar T 273
b 0.392 ρ
2.21Ecuación
Donde:
b: presión atmosférica, mm de Hg
Ta: temperatura ambiente promedio anual, °C.
La presión atmosférica puede ser determinada en función de la altura sobre el
nivel del mar H, en metros, así:
Hg de mm , 10 b 6 3 3 8 1
H 2.881
2.22Ecuación
En la Figura 2.12 se ilustra la variación de la presión atmosférica con respecto a
la altura.
Presión atmosférica (Figura 2.12)
DERECHOS RESERVADOS
- 53 -
Presión atmosférica Fuente: Ramírez (1994)
b) COEFICIENTES DE MAXWELL
La máxima carga eléctrica presente en un conductor está dada por la capacitancia
de las líneas que conforman la subestación, la cual, a su vez, está dada por la
diferencia de potencial entre dos conductores. En forma de ecuación, la capacitancia
puede ser determinada a partir de los coeficientes de Maxwell que relacionan la carga y
la diferencia de potencial entre los conductores [IEC CISPR 18-1 (1982), Grainger y
Stevenson (1994) y Electric (1975)].
V , Q P V 2.23Ecuación
Donde el valor de P (coeficientes de Maxwell), puede ser determinado por la
siguiente matriz:
DERECHOS RESERVADOS
- 54 -
F / m ,
r
2hln
Ε π2
1
D
'Dln
Ε π2
1
D
'Dln
Ε π2
1
D
'Dln
Ε π2
1
r
2hln
Ε π2
1
D
'Dln
E π2
1
D
'Dln
E π2
1
D
'Dln
Ε π2
1
r
2hln
E π2
1
P
eq32
32
31
31
23
23
eq21
21
13
13
12
12
eq
2.24Ecuación
Donde:
E: permitividad del aire en espacio libre, 8,85x10-12 F/m
h: altura del conductor con respecto a tierra (altura del punto de conexión), m
En la práctica, la altura de los conductores varía con la flecha del vano, por lo
cual se debe realizar el cálculo de una altura equivalente, la cual puede ser hallada con
la siguiente relación:
m , Y 3
2 -h h cav
2.25Ecuación
Yc: flecha del vano, m
req :radio equivalente del haz de conductores; req= r cuando el número de conductores
por fase es uno, m
m , Rr n r n 1noeq
2.26Ecuación
Donde:
r: radio del conductor, m
Ro: radio del haz de conductores, m
n: número de conductores del haz
Q: carga superficial del conductor, C/m
Dij y Dij’: distancia directa entre conductores y su imagen, según la Figura 2.13, correspondiente
al teorema de las imágenes que varía según la disposición de los cables de la subestación.
DERECHOS RESERVADOS
- 55 -
Teorema de imágenes (Figura 2.13)
-Teorema de imágenes Fuente: Ramírez (1994)
Para el cálculo de la capacitancia de los conductores se halla la matriz inversa de
la matriz de coeficientes de Maxwell.
F/m , P C -1 2.27Ecuación
c) TENSION FASE A TIERRA
Para el cálculo del efecto corona se toma el caso más crítico, el cual corresponde a
la tensión máxima a la cual el material puede ser sometido. Por lo cual se define la
tensión de referencia como:
Kv , 3
U U m
r 2.28Ecuación
Para sistemas trifásicos, la carga en la línea puede ser calculada a partir de la carga
sinusoidal imaginaria, la cual tiene en cuenta los desfases entre las ondas de tensión
del sistema:
DERECHOS RESERVADOS
- 56 -
Kv ,
a
a
1
U
U
U
U
2
r
c
b
a
2.29Ecuación
De igual manera se pueden calcular las capacitancias:
F/m ,
a
a
1
C
C
C
C
2c
b
a
2.30Ecuación
Donde:
a: desfase entre las tensiones del sistema
2
3j
2
1a
2.31Ecuación
Por lo cual, la relación (2.30) se transforma en:
F/m ,
2
3j
2
1
2
3j
2
1
1
C
C
C
C
c
b
a
2.32Ecuación
De la relación anterior se pueden obtener los valores de Ca, Cb y Cc,
correspondientes a las capacitancias de fase del conductor y determinar el máximo
valor de la carga del conductor:
C/m,UCQ rmax 2.33Ecuación
Siendo Cmáx, el valor máximo entre Ca, Cb y Ce
DERECHOS RESERVADOS
- 57 -
d) GRADIENTE SUPERFICIAL PROMEDIO
Para el cálculo del gradiente superficial promedio en conductores conformados por
más de un conductor, gav, se determina la carga total Q de los conductores y se aplica
el teorema de Gauss
/mKvrms ,rE π2n
Qg av 2.34Ecuación
Donde:
Radio del conductor, m.
Lo anterior supone que la carga total se encuentra uniformemente distribuida en
los conductores. Pero el efecto de apantal1arnientomutuo de un subconductor sobre
otro conlleva a un valor mayor del gradiente eléctrico, el cual puede ser obtenido por la
relación siguiente:
/mKv ,R
r 1n1gE
omax max
2.35Ecuación
Corno método alternativo en sistemas trifásicos para el cálculo del gradiente
eléctrico se puede recurrir a la siguiente relación:
/mKv ,
a4h
2h
r
arln
β
3
UE
24eq
m
2.36Ecuación
Donde:
a: separación de fases, m
r: radio del conductor, m
h: altura del conductor, m
ß: factor para múltiples conductores
req: radio equivalente del haz, m
n : número de conductores del haz
DERECHOS RESERVADOS
- 58 -
Ra: radio del haz de conductores, m
n
R
r1n1
β o
2.37Ecuación
e) VERIFICACION EFECTO CORONA:
En la práctica, el valor más importante es Emax, pues de exceder éste al gradiente
crítico (Emáx>Ea) en un punto cualquiera sobre la superficie de los conductores,
comienzan allí las descargas del tipo corona. Por lo tanto, se debe cumplir que:
E <E omax 2.38Ecuación
o, en sistemas trifásicos E<E0
E <E o 2.39Ecuación
f) TENSION CRÍTICA
La tensión crítica disruptiva fase-tierra U0, siempre debe ser mayor que la tensión
del conductor fase a tierra, y está dada por la expresión:
Kvrms , UE
EU r
max
oo 2.40Ecuación
De donde se tiene que cumplir que Uo sea mayor que Ur:
U>U ro 2.41Ecuación
2.2.11- ESPACIAMIENTO ENTRE HACES DE CONDUCTORES:
La utilización de un número excesivo de espaciadores en un tramo de conexión
aumenta considerablemente los esfuerzos de tensión en las estructuras de soporte de
barrajes durante condiciones de cortocircuito. Experimentalmente se ha comprobado
que la selección de la posición de los espaciadores para cumplir el primero de los
DERECHOS RESERVADOS
- 59 -
criterios expuestos permite el diseño de estructuras con esfuerzos de cortocircuito
longitudinales razonables.
El cálculo de la máxima longitud de subvano bajo condiciones de carga para haces
de conductores puede ser realizado como se indica a continuación. El modelo que se
emplea para la consideración de la longitud de los subvanos determina la deflexión del
mismo, debida al peso de los conductores y a las fuerzas electromagnéticas
producidas por las corrientes de carga, produciendo resultados aceptables para un haz
de dos conductores ordenados, horizontal o verticalmente y también para haces de
cuatro o más conductores.
Para cada caso, se supone que los conductores son idénticos y soportan igual
tensión y corriente. Se supone también que la geometría del haz es correcta para el
circuito sin carga y que ambos extremos del subvano están a la misma elevación. Los
resultados son aplicables a todos los subvanos sin error significativo. La base para este
diseño es la Figura 2.14, teniendo presente que los resultados experimentales han
demostrado la aplicabilidad de los cálculos. La fuerza electromagnética (no
dimensional) puede calcularse de acuerdo con la cantidad de subconductores n:
Para haces de dos conductores separados 2Z1:
21x
21
29
e ZT 2
X I 4.5x10 F
2.42Ecuación
Para haces de cuatro conductores en cuadro separados 2Z1:
2
1x
21
29
e ZT 2
X I 4.5x10 F
2.43Ecuación
Para haces de n conductores en un círculo de diámetro 2Z1:
2
1x
21
29
e ZT 2
X 1-n 4.5x10 F
2.44Ecuación
DERECHOS RESERVADOS
- 60 -
Donde:
I: corriente de carga (valor eficaz), A
2Z1: separación entre conductores del haz, m
Tx: tensión de cada conductor del ház, daN
2X1: longitud del subvano, m.
Longitud de subvanos (Figura 2.14)
Longitud de subvanos Fuente: Ramírez (1994)
El procedimiento de cálculo consiste entonces en asumir una longitud del
subvano y con los datos del barraje calcular Fe y W para encontrar el valor 2Z2 con el
cual puede determinarse si haya no colapso de los subconductores para las
condiciones de carga, debiendo cumplirse entonces:
D22Z 2 2.45Ecuación
2.2.12 CÁLCULO DE ESFUERZOS ELECTROMECÁNICOS EN BARRAJES
DERECHOS RESERVADOS
- 61 -
Normalmente la configuración física de las subestaciones está constituida por
vanos cortos que requieren el cálculo de los esfuerzos electromecánicos en los barrajes
para e análisis de flechas y tensiones en sistemas de barras flexibles es, en términos
generales, mucho más complicado que el análisis de tensiones y deflexiones en barras
rígidas, ya que las barras flexibles experimentan desplazamientos muy significativos en
respuesta a las fuerzas producidas por cortocircuito, las cuales dependen de los
espaciamientos entre conductores. Además, dentro de estos análisis deben ser
considerados los conductores, los aisladores y los sistemas de soporte.
En las subestaciones de alta y extra alta tensión, en el diseño de las estructuras
de soporte se tiene una incidencia significativa de las cargas debidas a cortocircuito, las
cuales pueden ser muy altas según las flechas y tensiones definidas para el tendido en
el caso de los conductores flexibles.
A continuación se describen fórmulas simples para el cálculo de las flechas y
tensiones en vanos cortos con apoyos a nivel y a desnivel, considerando los efectos de
temperatura, viento, sismo y cortocircuito. Este procedimiento permite además, obtener
las cargas mínimas de diseño para las estructuras de soporte de los barrajes, las cuales
forman parte de la infraestructura del servicio eléctrico.
a) Evaluación de Cargas:
Carga de peso propio: está conformada por el peso del conductor, de los
dispositivos de amortiguamiento de vibraciones, si se utilizan, y de las cargas
concentradas (conectores, conductores de derivación) que se tengan en el
vano bajo estudio. Las cargas debidas al peso de los conductores y a las
cargas concentradas WG están dadas por la relación:
daN/m,nW W cG 2.46Ecuación
Donde:
wG: carga gravitacional sobre el conductor (incluye peso de las derivaciones y sus
conectores, si existen), daN/m peso del conductor,
DERECHOS RESERVADOS
- 62 -
wc: peso del conductor, daN/m número de conductores.
n: número de conductores.
Carga debida a los efectos de cortocircuito: para determinar la carga de
cortocircuito que debe considerarse para el cálculo de esfuerzos en los
barrajes se debe tener en cuenta el tipo de conexión que se desea utilizar en
la subestación, es decir, si es con conductores flexibles o con conductores
rígidos.
La fuerza electromagnética depende del tipo de conductor y su cálculo es como
se indica a continuación [CIGRÉ (1996)].
N/m,
a
m1I0.15 W
2k3
sc
2.47Ecuación
Donde: Wsc: fuerza unitaria electromagnética, N/m
Ik3: corriente de cortocircuito simétrica trifásica, kA
a: separación entre fases, m
m: calor de disipación debido a la componente de corriente directa en sistemas trifásicos o
monofásicos, se obtiene de la Figura 2.15 en función del factor pico de la corriente de
cortocircuito k.
F: frecuencia del sistema, Hz
Tk1: duración del cortocircuito, s.
Factor m (Figura 2.15)
DERECHOS RESERVADOS
- 63 -
Factor m Fuente: Ramírez (1994)
Carga debida al viento sobre conductores y cadenas de aisladores: Se
presentan en forma resumida los principales fundamentos para evaluar las
fuerzas de viento sobre conductores de acuerdo con los requerimientos de la
ASCE [American (1991)], cuya metodología es ampliamente utilizada en
diseños de líneas de transmisión y subestaciones.
La presión de viento se calcula mediante la expresión:
2vo daN/mV),Q(ZP 2.48Ecuación
Donde:
Po: presión dinámica de referencia, daN/m2
Q: factor de densidad del aire que depende de la temperatura y de la altura del terreno sobre el
nivel del mar
Zv: factor de terreno en función de la categoría de terreno
V: velocidad del viento de diseño, km/h.
DERECHOS RESERVADOS
- 64 -
La velocidad de viento para diseño es la velocidad de la milla más rápida, medida
en terreno de categoría C y a 10 m sobre el nivel del terreno, con un período de 50
años, en el sitio de la subestación. En los casos en los cuales se emplea como
referencia para diseño la velocidad máxima de ráfaga de tres segundos, V3s'el valor de
la velocidad de la milla más rápida, V, puede despejarse, empleando un método
iterativo, de la expresión:
23s
daN/m,1.52
1.675V
001.60934x360.1034lnV
V
2.49Ecuación
La ecuación (9.52) es válida únicamente para terreno categoría C y velocidades
entre 60 km/h Y 580 km/h, lo cual satisface la mayoría de las situaciones de diseño.
Para otros casos debe consultarse lo dispuesto por la ASCE [American (1991)].
La velocidad de ráfaga de tres segundos es aquella que se estima que será
excedida en promedio una vez cada 50 años, medida a 10 m de altura sobre el terreno
y en campo abierto.
Los valores de velocidad de viento son tomados del mapa de amenaza eólica de
cada país.
El valor de Q se calcula con base en el valor del peso específico del aire a 15°C y
al nivel del mar, modificado considerando los efectos de la temperatura y la altitud. De
manera aproximada puede emplearse la expresión:
2H1.1856x10 daN/m,0.0048eQ 4 2.50Ecuación
Donde:
H: altura del sitio de la subestación sobre el nivel del mar, m.
DERECHOS RESERVADOS
- 65 -
La corrección de la presión por altura en función de la categoría del terreno se
efectúa por medio del coeficiente Zv.
1 Z v m10<z <0
2.51Ecuación
1
v 61.1 Z
gz
z gz<z <0m 1
Donde:
Z: altura sobre el terreno de desplante, m
Zg: altura gradiente, medida a partir del nivel del terreno de desplante, por encima de la cual la
variación de la velocidad del viento no es importante y se puede suponer constante, m
: exponente que determina la forma de la variación de la velocidad del viento con la altura.
Los factores a y Zg son función de la categoría de exposición. En la Tabla 2.5 se
resumen los valores para diferentes categorías así como las principales características
de las mismas.
Tabla 2.5-Parámetros de diseño en función de la categoría de exposición
Fuente: Ramírez (1994)
La carga debida a la acción del viento se supone actuando horizontalmente y en
ángulo recto con el cable y se obtiene como sigue:
DERECHOS RESERVADOS
- 66 -
daN/mD,GCP w fow 2.52Ecuación
Donde:
Po: presión de viento corregida de acuerdo con la altura, daN/m2
G: factor de respuesta dinámica debida a ráfagas (para cables G = Gw), adimensional (Figura
2.16)
Cf: coeficiente de fuerza
D: diámetro del conductor, m.
La fuerza debida al efecto del viento sobre el conductor con un vano de longitud
L, está dada por la expresión:
daNL,wF ww 2.53Ecuación
Donde:
L: longitud del vano considerado, m.
El coeficiente de fuerza Cf considera el efecto de las características del elemento
(Forma, tamaño, orientación con respecto al viento, solidez y rugosidad de la superficie,
entre otras) en la fuerza resultante. Puede tomarse 1,0 para conductores y cables de
guarda.
El factor de respuesta dinámica G tiene en cuenta los efectos de las cargas
adicionales debidas a la turbulencia del viento y a la amplificación dinámica. Dicho
factor es la relación entre el efecto de la carga de la ráfaga de viento sobre los
conductores y el efecto de la carga de viento asociada a la velocidad media. El factor de
respuesta de ráfaga para cables Gw puede obtenerse de la Figura 2.16 para categoría
de exposición e o calcularse de manera general como:
ww B1.9E0.7G 2.54Ecuación
α
1
oz
10k4.9E
2.55Ecuación
DERECHOS RESERVADOS
- 67 -
s
w
L
L0.81
1B 2.56Ecuación
Donde:
Zo: altura efectiva; para conductores puede estimarse como la altura promedio sobre el nivel del
terreno de los puntos de anclaje del conductor menos un tercio de la suma de la longitud de la
cadena de aisladores y la flecha del conductor, m
Ls: factor que depende de la categoría de exposición
k: coeficiente de arrastre, depende de la categoría de exposición.
Factor de respuesta de ráfaga para conductores categoría de exposición c (Figura2.16)
Factor de respuesta de ráfaga para conductores categoría de exposición c
Fuente: Ramírez (1994)
La carga de viento sobre los aisladores está dada por la expresión:
daN,AGCPF ifoi 2.57Ecuación
DERECHOS RESERVADOS
- 68 -
Donde:
Cf: coeficiente de arrastre de aisladores el cual depende de la forma de estos y, generalmente,
se toma igual a 1,2
G: factor de respuesta de ráfaga que tiene en cuenta efectos de la turbulencia del viento
(para aisladores G = Gi), puede calcularse empleando la expresión (15.3) o con base
en la Figura 15.5, adimensional
Ai: área de la cadena de aisladores; puede calcularse como el producto del diámetro del
aislador y la longitud de la cadena, afectado por un factor de 0,6 para tener en cuenta la forma
del aislador [Consultaría (1989)], m2.
Carga de sismo: La carga que puede presentarse por sismo sobre los
conductores eléctricos de una subestación puede determinarse mediante la
siguiente fórmula:
daN/m,wS w cas 2.58Ecuación
Donde:
Sa: valor del espectro de aceleraciones de diseño (horizontal) para un período de vibración
dado; máxima aceleración horizontal de diseño, expresada como una fracción de la aceleración
de la gravedad, para un sistema de un grado de libertad con un período de vibración T
Para períodos de vibración T≤0.48 S I2.5AS aa 2.59Ecuación
Para períodos de vibración 0,48 S < T < 2,4 S SI2A.1S aa 2.60Ecuación
Para períodos de vibración T ≥ 2,4 S 2
IAS a
a 2.61Ecuación
S: coeficiente de sitio (Tabla 2.6)
Aa: coeficiente de aceleración sísmica pico efectiva
I: coeficiente de importancia; para el grupo IV "edificaciones indispensables" I=1,3.
DERECHOS RESERVADOS
- 69 -
Tabla 2.6-Coeficiente de sitio S (Asociación (1998)
Fuente: Ramírez (1994)
Debido a las vibraciones sísmicas, la fuerza horizontal que se desarrolla puede
considerarse actuando en el centro de gravedad, en cualquier dirección.
El cálculo de la fuerza sísmica vertical se realiza empleado la expresión:
daN/m,0.75w w ssc 2.62Ecuación
Carga de hielo: únicamente en los casos en los cuales se tenga evidencia
confiable de la aparición periódica de cargas debidas a la acumulación de
hielo sobre los conductores, se debe revisar adicionalmente esta condición.
La sobrecarga de hielo tiene un doble efecto, a saber: se suma
aritméticamente con el peso del cable y aumenta el diámetro de la superficie
expuesta al viento. En general, no se considera simultaneidad del viento con
los efectos del hielo, aunque en ocasiones puede exigirse su análisis y para
este efecto se consideran las cargas de viento reducidas.
En el caso de que no se consideren los efectos del viento, siendo wi el peso del
hielo por unidad de longitud sobre el conductor, el peso aparente corregido será:
DERECHOS RESERVADOS
- 70 -
daN/m,ww' w icc 2.63Ecuación
El peso del hielo será calculado a partir de las condiciones probables de
acumulación de hielo en la región, de acuerdo con los mapas estadísticos de
ocurrencia. Por ejemplo, en condiciones ligeras de acumulación, algunas normas exigen
considerar mínimo una capa de hielo de 3,5 mm de espesor y peso específico de 900
daN/m3.
Considerando la sobrecarga de hielo con efectos de viento, la acción del viento
será:
daN/m,2eDGCP' w fow 2.64Ecuación
Donde:
Ww': acción del viento sobre el conductor y la capa de hielo, daN/m
Po: presión del viento calculada para un medio de la velocidad de viento de diseño V, daN/m2
D: diámetro del conductor, m
e: espesor de la lámina de hielo, m.
b) Cálculo de Tensiones Mecánicas y Flechas en Conductores Flexibles: El
cálculo de tensiones mecánicas y flechas en los conductores para diferentes
condiciones de carga y temperatura es de gran importancia en el diseño de las
subestaciones eléctricas porque proporciona los datos necesarios para la
verificación de acercamientos eléctricos y para el diseño de las estructuras
metálicas de soporte de barrajes y equipos. Asimismo, proporciona los datos
iníciales para obtener las tablas de tendido para el montaje de conductores en las
subestaciones. Es usual que, por requerimientos eléctricos, sean conocidos el
tamaño, el tipo y las propiedades del conductor y de los aisladores. Se trata
entonces de calcular el estado de tensiones y deformaciones del conjunto que
satisfaga los requerimientos de flecha y tensión mecánica admisibles para varias
combinaciones de carga.
DERECHOS RESERVADOS
- 71 -
El objetivo inicial es obtener una tensión mecánica mínima con base en el control
de las deflexiones a la temperatura máxima, de forma tal que se cumplan las
separaciones mínimas permitidas entre las fases y las distancias eléctricas de
seguridad. Debe escogerse una tensión mecánica apropiada en el conjunto conductor-
cadena de aisladores y herrajes para que éste no falle, ni presente deformaciones
excesivas que ocasionen problemas de seguridad por acercamiento, ni afecte la
estética y armonía del conjunto.
Es práctica normal que en las subestaciones eléctricas los conductores sean
diseñados para que trabajen a valores bajos de la tensión mecánica de rotura (del
orden de 20%) Y así poder obtener un factor de seguridad alto contra la rotura del
material. Para vanos como los que se presentan en las subestaciones, el peso y la
longitud de las cadenas de aisladores es considerable en relación con el peso y
longitud del conductor. Por esto, el peso de las cadenas de aisladores y las cargas
concentradas influyen de manera apreciable en el cálculo mecánico del vano y deben
tenerse en cuenta.
La tensión inicial mínima se obtiene con base en el control de las deflexiones a la
temperatura máxima, por ello es aceptable utilizar inicialmente para el cálculo un
método simplificado, el cual calcula la flecha máxima a partir del control de la
separación mínima de fases de los conductores en condiciones críticas de cortocircuito.
Se necesita calcular una carga resultante en la cual debemos primero conocer:
Carga actuante total: para la estimación de la carga actuante total sobre el
conductor, se considera que el peso actúa verticalmente, que la carga de
viento actúa horizontalmente y en ángulo recto con el cable y que la
sobrecarga de hielo tiene doble efecto: horizontalmente al aumentar el área
expuesta de viento y verticalmente al aumentar el peso propio. La resultante
wt es una suma vectorial, que se obtiene con base en la Figura 2.17.
daN/m,'w'w w 2c
2wT 2.65Ecuación
DERECHOS RESERVADOS
- 72 -
daN/m,'ww w 2w
22cT iw 2.66Ecuación
Donde:
wT: carga resultante actuante sobre el cable con sobrecarga de hielo y viento, daN/m
wc’: carga vertical uniforme debida al peso del cable y de la capa de hielo, daN/m
ww’: carga horizontal uniforme debida a la acción del viento sobre el conductor y la capa de
hielo, daN/m.
wc : carga vertical uniforme debida al peso del cable, daN/m .
wi : carga vertical uniforme debida al peso del hielo, daN/m.
Carga resultante sobre un cable con sobrecargas simultáneas de hielo y viento (Figura2.17)
Carga resultante sobre un cable con sobrecargas simultáneas de hielo y viento Fuente: Ramírez (1994)
Cuando existan cargas concentradas sobre el conductor, el peso del conductor
wc deberá reemplazarse por la carga gravitacional total wG calculada como carga
equivalente weq, como se indica en la siguiente sección.
Cargas externas y carga uniforme equivalente: a lo largo de un conductor
se pueden presentar cargas externas causadas por la conexión de bajantes a
equipos, aisladores en suspensión, contracontactos de seccionadores
pantógrafos, o cualquier otro accesorio. El efecto de estas cargas adicionales
se podrá suponer como la acción de una carga uniformemente equivalente
DERECHOS RESERVADOS
- 73 -
(Figura 2.18). En caso de que no existan cargas concentradas, esta carga
uniforme equivalente corresponde a la carga unitaria del peso propio del
conductor.
Conductores con cargas concentradas (Figura 2.18)
Conductores con cargas concentradas Fuente: Ramírez (1994)
Para el cálculo de esta carga uniforme equivalente se asimila el conductor a una
viga simplemente apoyada con cargas concentradas, obteniéndose el momento
máximo, y con éste la carga uniforme equivalente, mediante la siguiente expresión:
daN/m,L
8Mw w
2c
eqG 2.67Ecuación
Donde:
weq : carga uniforme equivalente, daN/m
DERECHOS RESERVADOS
- 74 -
Lc: vano horizontal del conductor, m.
M: momento máximo, daN.m; se obtiene continuación con las ecuaciones que se presentan a
continuación:
daN,
L
xLP2
Lw
R
n
0iii
2
c
A
2.68Ecuación
daN,PxwRR n
0i
n
0iiicAx
2.79Ecuación
daN,dxxRM 'k'
0 2.70Ecuación
Donde:
RA: reacción en el apoyo A, daN
wc: peso propio del conductor por unidad de longitud, daN/m
L: longitud del vano, m
Pi’: carga concentrada, daN
xi: posición de la carga concentrada con respecto al apoyo A, m
n: número de cargas concentradas
k’’: punto para el cual R(k’’)=0
Flecha Máxima: Como ya se mencionó, la tensión mínima puede estimarse a
la máxima temperatura con base en la flecha máxima permitida, dependiendo
del movimiento de conductores flexibles durante un cortocircuito. (Figura
2.19).
DERECHOS RESERVADOS
- 75 -
Rango de movimiento de conductores flexibles durante un cortocircuito (Figura 2.19)
Rango de movimiento de conductores flexibles durante un cortocircuito Fuente: Ramírez (1994)
kk
o 1.3Y1.2Sen40
YY
2.71Ecuación
Donde:
yo: flecha máxima permisible, m
yk: rango de movimiento del conductor
a:separación entre fases, m
amin: separación mínima permisible entre fases, m.
Esta limitación en la flecha es conveniente ya que, cuando ocurren fallas
externas al vano en estudio, las sobre corrientes entre los barrajes originan fuerzas de
atracción entre los conductores, pudiéndose producir un cortocircuito entre fases por
acercamiento. Puede efectuarse una verificación inicial, teniendo en cuenta que por
razones de estética y de acuerdo con la recomendación de varias publicaciones, la
flecha se sugiere sea limitada al 3% de la longitud del vano, sin considerar el rango de
movimiento de los conductores durante un cortocircuito, comprobándose que con la
separación entre fases se evitan acercamientos eléctricos y se conservan las distancias
de seguridad.
DERECHOS RESERVADOS
- 76 -
El procedimiento anterior es conservador ya que supone un ángulo de deflexión
de 40° de los conductores durante un cortocircuito. En caso de que la limitación en la
flecha máxima por este método ocasione unas tensiones muy altas de los conductores
sobre las estructuras, esta flecha puede hacerse óptima siguiendo la metodología para
el cálculo del rango de movimiento de los conductores durante un cortocircuito [CIGRÉ
(1996)].
Para una duración de cortocircuito menor que el tiempo para la máxima deflexión
(el cual tiene valores típicos entre 0.25 s y 0.4 s), el ángulo de deflexión es:
o
oo
Y
hYarccosδ
2.72Ecuación
Donde:
Yo: flecha máxima, m
m,g2m
twh
c
2k
2sc
o 2.73Ecuación
N/m,a
I0.2 w
2k2
sc 2.74Ecuación
wsc: fuerza electromecánica, N/m
tk : tiempo de duración del cortocircuito, s
m:masa del conductor por unidad de longitud, N/m
g: aceleración de la gravedad, 9,8 mIs2
a: separación entre conductores, m
Ik2: corriente bifásica simétrica de cortocircuito, kA r.m.s.
Para una duración de cortocircuito mayor que el tiempo para la máxima deflexión,
el ángulo de deflexión es:
gm
w1.6arctangδ
c
2sc 2.75Ecuación
Conocida la flecha máxima del conductor puede calcularse la tensión asociada.
DERECHOS RESERVADOS
- 77 -
Tensión mínima: la curva que toma un cable de peso uniforme suspendido
por sus extremos en la misma horizontal, es una catenaria. En algunos casos,
puede aproximarse a una trayectoria parabólica. La tensión mínima se
presenta en el punto más bajo del cable, a continuación se describe, en forma
general, la solución analítica de la relación flecha - tensión en conductores
flexibles, utilizando la trayectoria de los conductores por medio de una curva
parabólica y una curva catenaria. Métodos más exactos utilizan la solución de
la trayectoria del cable por el método de diferencias finitas.
Formulación simplificada, trayectoria parabólica: constituye la forma más
simple de evaluar las flechas y tensiones a lo largo de un cable y, aunque es
una aproximación del comportamiento real, arroja resultados aceptables para
vanos cortos. Las formulaciones correspondientes se dan a continuación y
están referidas a las Figuras 2.19 y 2.20.
Trayectoria parabólica aproximada de un conductor con apoyos a nivel (Figura 2.20)
Apoyos a nivel
Trayectoria parabólica aproximada de un conductor con apoyos a nivel Fuente: Ramírez (1994)
Bajo la acción de cargas resultantes (verticales y horizontales) el cable se
desplaza a un plano inclinado, al cual corresponden las flechas y tensiones calculadas.
DERECHOS RESERVADOS
- 78 -
La tensión mecánica en el punto más bajo, que es igual a la componente horizontal de
las tensiones en ambos apoyos, se calcula como:
daN,8Y
LwT
c
2t
o
2.76Ecuación
Así,
m,8T
LwY
o
2t
c
2.77Ecuación
Donde:
wt: carga total en el conductor por unidad de longitud, daN/m
L: distancia horizontal entre apoyos, longitud del vano, m
Yc: flecha máxima, m
Trayectoria parabólica aproximada de un conductor con apoyos a desnivel (Figura 2.21)
Apoyos a diferente nivel
Trayectoria parabólica aproximada de un conductor con apoyos a desnivel Fuente: Ramírez (1994)
Cuando los apoyos en los extremos del conductor se encuentran a desnivel, la
posición del punto más bajo respecto al apoyo inferior puede determinarse como:
DERECHOS RESERVADOS
- 79 -
m,4Y
y1
2
LX
co
2.78Ecuación
m,4Y
y1YY
cco
2.79Ecuación
Donde:
L: longitud del vano del conductor, m
Yc: flecha máxima definida teniendo en cuenta el control de acercamientos eléctricos, distancia
vertical del punto más bajo del conductor hasta la línea imaginaria que une ambos soportes, m.
X1, Y1: coordenadas de apoyo A, m
Xo, Yo: coordenadas de apoyo B, m
y: desnivel entre apoyos, Y1- Yo, m.
La longitud del cable s puede calcularse como la suma de so y s1, las cuales
pueden estimarse, de manera aproximada, con:
m,3X
8Y1Xs
21
21
11
2.80Ecuación
m,3X
8Y1Xs
2o
2o
oo
2.81Ecuación
Con base en la tensión To obtenida de la expresión (9.76), la tensión en el apoyo
superior es:
m,YwTT 1toa 2.82Ecuación
La tensión en el apoyo inferior es:
m,YwTT otob 2.83Ecuación
DERECHOS RESERVADOS
- 80 -
Flechas por efecto de las cadenas de aisladores, herrajes y amortiguadores:
para tener en cuenta los efectos de las cadenas de aisladores, herrajes y
amortiguadores sobre la trayectoria geométrica del conductor, se puede tomar la
cadena de aisladores con sus herrajes respectivos, considerando todo como un
ente rígido, articulado en el punto de anclaje y con el peso total concentrado en
el punto medio de su longitud (Figura 2.19). Para apoyos al mismo nivel:
Convención de dimensiones de conductor y cadenas (Figura 2.22)
Convención de dimensiones de conductor y cadenas Fuente: Ramírez (1994)
m,YTY ac 2.84Ecuación
m,8T
LwY
o
2cT
c 2.85aEcuación
m,FLw2T
XY acT
o
aa 2.85bEcuación
m,8Y
F4XX4wLwT
o
aa2
at2
To
2.86Ecuación
DERECHOS RESERVADOS
- 81 -
Donde:
Y: flecha máxima, m
Yc: flecha del conductor, m
Ya: flecha de la cadena de aisladores, m
Le: longitud horizontal del cable, m
m,XLL ac 2.87Ecuación
L: distancia horizontal entre puntos de anclaje (longitud del vano), m
Xa: proyección horizontal de la longitud de la cadena de aisladores, m
La: longitud de la cadena de aisladores, m
m,L aa Nl 2.88Ecuación
N: número de aisladores
la: longitud de un aislador, m
Fa: peso de la cadena de aisladores, daN
To: tensión horizontal mínima, para una flecha máxima y, daN
Wt: carga uniforme equivalente del conductor, daN/m
Efecto por cambios de temperatura: el efecto de los cambios de temperatura
en el conductor se obtiene mediante la ecuación de cambio de estado que
determina el nuevo equilibrio del conductor. En caso de considerar un aumento
de temperatura se pasa de un estado inicial 1 a un estado final 2 con un nuevo
equilibrio expresado como dilatación por aumento de temperatura, contrarrestado
por la contracción debida a la disminución de tensión en el conductor. La tensión
mecánica horizontal en el estado 2 se determina resolviendo, por ejemplo por el
método de Newton Raphson, la ecuación de tercer grado:
DERECHOS RESERVADOS
- 82 -
024
LwEATαΔTEA
24T
LwEATT
22T2cc
o1cc21
22T1cc2
o33
o2
2.89Ecuación
Donde:
α: coeficiente térmico de dilatación lineal del cable, °C
ΔT : variación de temperatura (temperatura final- temperatura inicial), °C
Ac: área de la sección transversal del cable, cm2
Ec: módulo de elasticidad del cable, daN/cm2
L: distancia entre apoyos del conductor, m
To1: tensión mecánica horizontal básica (en el estado inicial 1), daN
T02: tensión mecánica horizontal final (en el estado 2: incremento de temperatura), daN
wT1: carga uniforme equivalente sobre el conductor en el estado 1, daN/m
wT2: carga uniforme equivalente sobre el conductor en el estado 2, daN/m
La carga wT2 representa la corrección que debe aplicarse a la carga wT por el efecto
de la temperatura sobre el total del vano; así, aunque la longitud del conductor cambia,
la carga no cambia. Dicha corrección está representada por:
t1 w T1T2 w 2.90Ecuación
Tablas de tendido: una vez finalizados los cálculos de tensiones mecánicas de
los conductores se pueden calcular las tablas de tendido, útiles para la etapa de
montaje de los conductores. Las tablas de tendido relacionan las tensiones
básicas con las flechas para los diferentes valores de temperatura. El cálculo de
las tablas de tendido depende exclusivamente de los cálculos de las tensiones
mecánicas de los conductores realizados para estimar las cargas de conexión
sobre estructuras de soporte y tiene en cuenta las cadenas de aisladores,
herrajes, el desnivel entre los puntos de anclaje y los desniveles y pendientes del
terreno; se considera además que en la etapa de montaje no existen los bajantes
a equipos, ya que en la práctica se instalan cuando se ha efectuado el tendido.
DERECHOS RESERVADOS
- 83 -
2.3- TÉRMINOS BÁSICOS:
Disposición física: ordenamiento físico de los diferentes equipos y barrajes
constitutivos del patio de conexiones enlazados de acuerdo con el tipo de
configuración de la subestación.
Acople: operación mediante la cual se enlazan los barrajes constitutivos de una
subestación. Nombre que se asigna al campo de conexión de barrajes.
Interruptor: dispositivo de maniobra capaz de interrumpir, establecer y llevar las
corrientes normales o asignadas del circuito y las anormales o de cortocircuito,
mediante la conexión o desconexión de circuitos.
Interruptores en vacio: Son dispositivos empleados para la interrupción o
abertura de un circuito bajo carga, que en teoría, abren en un ciclo debido a la
pequeña inercia de sus contactos y a su pequeña distancia; Los contactos están
dentro de botellas especiales en las que se ha hecho casi el vacío absoluto. El
contacto fijo está sellado con la cámara de vacío y por el otro lado entra el
contacto móvil.
Malla de tierra: un sistema de electrodos de tierra horizontales que consiste en
un número de conductores desnudos interconectados y enterrados en la tierra,
proporcionando una tierra común para dispositivos eléctricos o estructuras
metálicas, usualmente en un lugar específico.
Patio de conexiones: área en donde se instalan los equipos de patio y barrajes
con el mismo nivel de tensión.
Pruebas: conjunto de actividades que se realizan para verificar el diseño, la
fabricación, el correcto montaje (pruebas individuales) y la funcionalidad (pruebas
DERECHOS RESERVADOS
- 84 -
funcionales) de los, equipos. y sistemas de la subestación de acuerdo con las
especificaciones técnicas, los diseños de detalle y las condiciones operativas
definidas.
Seccionador: dispositivo de maniobra utilizado para aislar los interruptores,
porciones de la subestación o circuitos, para mantenimiento; en configuración de
barras son utilizados para seleccionar la forma de conectar los circuitos a los
barrajes.
Sistema de Comunicaciones: conjunto de dispositivos que operan de acuerdo
con condiciones preestablecidas que permiten el manejo de señales de
comunicación según los requerimientos de operación de los equipos y sistemas
de la subestación.
Sistema de Control: conjunto de dispositivos que operan de acuerdo con
condiciones preestablecidas y se emplean para realizar el manejo y supervisión
de todos los equipos, dispositivos y sistemas instalados en la subestación
Sistema de Protección: conjunto de dispositivos preestablecidos para proteger
los circuitos, sistemas subestación.
Campo de conexión (bahía, módulo): conjunto de los equipos de una
subestación para la maniobra, protección y medida de un circuito que se conecta
a ella.
2.4 OPERACIONALIZACIÓN DE LA VARIABLE
a) Nombre de la Variable: Diseño de Barras Flexibles
DERECHOS RESERVADOS
- 85 -
b) Definición Conceptual: es el proceso o labor destinado a proyectar, coordinar,
seleccionar y organizar un conjunto de elementos para la escoger una pieza
larga y delgada de un material que puede doblarse fácilmente sin romperse ,
generalmente metal y aleaciones , que tiene forma rectangular o cilíndrica.
c) Definición Operacional: Es el procesamiento de datos aprovechando los
recursos que provee la informática, con el propósito de proyectar , coordinar,
seleccionar y organizar un conjunto de elementos para escoger una pieza larga y
delgada que cumpla con un conjunto de requerimientos predeterminados.
d) Cuadro de Variables: La tabla que se muestra a continuación (Tabla Nº 2.7)
describe la operacionalización de la variable objeto de estudio, con dimensiones
e indicadores, fundamentados en conceptos y diseño de las barras flexibles,
enmarcado dentro de la misión revolución energética.
DERECHOS RESERVADOS
-88-
Tabla 2.7 Cuadro de Variables
Objetivo General: Diseño de barras flexibles en subestaciones eléctricas asistido por computadora
Objetivos Específicos Variable Sub-Variable Indicadores
Identificar el proceso de
cálculo establecido en la
normativa vigente para el
diseño en barras flexibles de
subestaciones eléctricas
DIS
EÑ
O D
E B
AR
RA
S F
LEX
IBLE
SE
S
Proceso de cálculo
de barras flexibles
Definición de los requerimientos: Longitud de la barra, tensión estática, distancia entre fases, rigidez de la estructura, datos del conductor, corriente de cortocircuito y la duración , los datos de configuración de bus, las estructuras de apoyo, conexiones, material de elasticidad, peso, capacidad térmica, los coeficientes de expansión, el tiempo de la variación a corto circuito según norma IEC 865-1 Análisis de temperatura superficial: Calentamiento por efecto joule, calentamiento solar, enfriamiento por convección, enfriamiento por radiación, Aumento de temperatura en conductores (flexibles en aire) y densidad de corriente en cortocircuito. Análisis de Efecto corona: Campo eléctrico disruptivo, Coeficiente de maxwell, Tensión de fase a tierra, Gradiente superficial promedio, Verificación de efecto corona, tensión critica. Definición de los requerimientos: Longitud de la barra, tensión estática, distancia entre fases, rigidez de la estructura, datos del conductor, corriente de cortocircuito y la duración , los datos de configuración de bus, las estructuras de apoyo, conexiones, material de elasticidad, peso, capacidad térmica, los coeficientes de expansión, el tiempo de la variación a corto circuito según norma IEC 865-1 Análisis de temperatura superficial: Calentamiento por efecto joule, calentamiento solar, enfriamiento por convección, enfriamiento por radiación, Aumento de temperatura en conductores (flexibles en aire) y densidad de corriente en cortocircuito. Análisis de Efecto corona: Campo eléctrico disruptivo, Coeficiente de maxwell, Tensión de fase a tierra, Gradiente superficial promedio, Verificación de efecto corona, tensión critica.
DERECHOS RESERVADOS
- 87 -
Tabla 2.7 Cuadro de Variables (Continuación)
Objetivo General: Diseño de barras flexibles en subestaciones eléctricas asistido por computadora
Objetivos Específicos Variable Sub-Variable Indicadores
Definir los requerimientos del
software en función del
procedimiento de diseño
establecido para barras
flexibles de subestaciones
eléctricas
DIS
EÑ
O D
E B
AR
RA
S F
LEX
IBLE
SE
S
Requerimientos
del software
Datos asignados
Datos de salida
librerías, base de datos
Definir filosofía de operación
del software para el diseño
de barras flexibles de
subestaciones eléctricas
Filosofía de
operación del
software
Ingreso de datos
Diagrama de flujo
Salida de datos: impresión y visualización en pantalla
Seleccionar la plataforma
computacional para el
desarrollo del software
La plataforma
computacional del
software
Lenguaje
Sistema operativo
Desarrollar el software en la
plataforma computacional
seleccionada
Desarrollo del
software
Pantalla: inicio y salida, Menús, base de datos, Algoritmo de
cálculo, codificación
DERECHOS RESERVADOS
- 88 -
Tabla 2.7 Cuadro de Variables (Continuación)
Objetivo General: Diseño de barras flexibles en subestaciones eléctricas asistido por computadora
Objetivos Específicos Variable Sub-Variable Indicadores
Comprobar el funcionamiento
del software.
DIS
EÑ
O D
E B
AR
RA
S
FLE
XIB
LES
ES
Funcionamiento
del software
Selección de casos de estudio:
Diseño mediante cálculos manuales
Diseño asistido por computadora
Comparación de resultados
(Fuente Propia: Cordero, 2009)
DERECHOS RESERVADOS
- 89 -
DERECHOS RESERVADOS
- 90 -
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
En esta parte del proceso de investigación, se plantean una variedad de
pasos para la obtención de los datos necesarios para la verificación de la categoría y
abarca los siguientes aspectos: tipo de investigación, diseño de la investigación,
población, técnicas e instrumentos de recolección de datos y por último, se presenta el
procedimiento que se siguió para el desarrollo del estudio.
3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN
La investigación es un proceso que, mediante la aplicación del método científico,
procura obtener información relevante y digna de fe y crédito para entender, verificar,
corregir o aplicar el conocimiento. Para obtener algún resultado de manera clara y
precisa es necesario aplicar algún tipo de investigación, la investigación esta muy ligada
a los seres humanos, esta posee una serie de pasos para lograr el objetivo planteado o
para llegar a la información solicitada. La investigación tiene como base el método
científico y este es el método de estudio sistemático de la naturaleza que incluye las
técnicas de observación, reglas para el razonamiento y la predicción, ideas sobre la
experimentación planificada y los modos de comunicar los resultados experimentales y
teóricos.
Además, la investigación posee una serie de características que ayudan al
investigador a regirse de manera eficaz en la misma. La investigación es tan compacta
que posee formas, elementos, procesos, diferentes tipos, entre otros.
DERECHOS RESERVADOS
- 91 -
Según Bavaresco (1997, pág.26), la investigación descriptiva consiste en
describir y analizar de manera sistemática las características homogéneas de los
fenómenos estudiados sobre la realidad. Pretende, además buscar asociaciones en un
mismo marco teórico y donde existe un juego lógico en cuanto a las variables de
estudios, debido a que entre ellas presentan una amplia relación.
Es por ello que esta investigación es de tipo descriptiva, debido a que se
conocieron aspectos y se obtuvieron las respuestas necesarias para la solución del
problema planteado. Esto será de gran ayuda en este trabajo especial de grado, porque
se describen y explican el desarrollo de algoritmos asociados a cálculos para el diseño
de barras flexibles asistidos por computadora, además, se precisan los requerimientos
del software a diseñar para asistir el diseño de barra flexibles, se define la filosofía de
operación de dicho software, se indica la plataforma computacional para la elaboración
del software, se detalla todo el desarrollo del mismo, y los resultados de las pruebas
para la comprobación del software
3.2. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
El diseño de la investigación se refiere a los pasos, etapas y estrategias que se
aplican para el logro de los objetivos planteados. Para Tamayo y Tamayo (2001, pág.
37), el diseño consiste en el planteamiento de una serie de actividades sucesivas y
organizadas, adaptadas a las particularidades de cada modalidad de investigación, para
indicar los pasos y pruebas a efectuar, así como las técnicas para recolectar y analizar
los datos. Este paso constituye el plan general del investigador para obtener respuestas
a sus interrogantes o comprobar la hipótesis de investigación. El diseño de
investigación desglosa las estrategias básicas que el investigador adopta para generar
información exacta e interpretable. Los diseños son estrategias con las que intentamos
obtener respuestas a preguntas como:
DERECHOS RESERVADOS
- 92 -
Contar
Medir
Describir
El diseño de la investigación estipula la estructura fundamental y especifica la
naturaleza global de la intervención. El investigador cuando se plantea realizar un
estudio suele tratar de desarrollar algún tipo de comparación. El diseño de investigación
supone, así, especificar la naturaleza de las comparaciones que habrían de efectuarse,
ésta pueden ser:
Entre dos o más grupos.
De un grupo en dos o más ocasiones.
De un grupo en diferentes circunstancias.
Con muestras de otros estudios.
El diseño también debe especificar los pasos que habrán de tomarse para
controlar las variables extrañas y señala cuándo, en relación con otros acontecimientos,
se van a recabar los datos y debe precisar el ambiente en que se realizará el estudio.
Esto quiere decir que el investigador debe decir dónde habrán de llevarse a cabo las
intervenciones y la recolección de datos, esta puede ser en un ambiente natural (como
el hogar o el centro laboral de los sujetos) o en un ambiente de laboratorio (con todas
las variables controladas). Al diseñar el estudio el investigador debe decir qué
información se dará a los sujetos, es recomendable revelar a los sujetos el propósito de
la investigación y obtener su consentimiento.
Según Hernández, Fernández y Baptista, (2003, pág. 267) plantean que un estudio
no experimental no se constituye ninguna situación, al contrario, se observan
situaciones ya existentes, no provocadas intencionalmente por el investigador. En la
investigación no experimental las variables independientes ya han ocurrido y no es
posible manipularlas; el investigador no tiene control directo sobre dichas variables, ni
puede influir sobre ellas por que ya sucedieron, al igual que sus efectos.
DERECHOS RESERVADOS
- 93 -
Aunado a esto, en cuanto a las subdivisiones del tipo de investigación no
experimental, los mismos autores (2003, pág. 270) mencionan que los diseños de
investigación transaccional o transversal recolectan datos en un solo momento, en un
tiempo único; su propósito es describir variables y analizar su incidencia e interrelación
en un momento dado.
De acuerdo con lo anteriormente expuesto, esta investigación es de tipo no
experimental además transaccional, ya que no se modificaron los procedimientos de
cálculo de barra flexible establecidos en la norma, la información técnica recolectada
para crear la base de datos. Por este aspecto en particular, se le confiere carácter
transaccional a esta investigación no experimental, porque esa recolección de
información se ejecutó en un lapso específico desde Mayo hasta Agosto de 2009.
Esta investigación además de ser no experimental - transaccional, es también
documental, que según Bavaresco (1997, pág. 36) es una condición que brindo el
mayor soporte para lo que se deseaba investigar, porque el método de cálculo fue
extraído de la norma, de diferentes autores reconocidos y de material bibliográfico. En
este trabajo el investigador realizó la revisión de libros, folletos, documentos, artículos
de revistas científicas, entre otras fuentes documentales y bibliográficas de interés
particular, para así poder determinar los diferentes parámetros que rigieron el software.
3.3. POBLACIÓN Y MUESTRA
Toda investigación tendrá como elemento principal la definición del límite de su
alcance. Esto, resulta de vital importancia debido a que los recursos y tiempo son
limitados. Por tanto, el considerar sólo una parte de la población siempre tendrá sus
ventajas.
La población es la que se refiere al conjunto de elementos o unidades a los cuales
se refiere la investigación. Que según Hurtado y Toro (1999, pág. 78), la población hace
referencia al conjunto de sujetos para el cual serán válidas las conclusiones y
reflexiones que se obtengan en la investigación.
DERECHOS RESERVADOS
- 94 -
El determinar el tamaño de una muestra representa una parte esencial del método
científico para poder llevar a cabo una investigación. Al muestreo se puede definir como
el conjunto de observaciones necesarias para estudiar la distribución de determinadas
características en la totalidad de una población, a partir de la observación de una parte
o subconjunto de una población, denominada muestra.
El muestreo debe procurar ser representativo, ya que proporciona ventajas de
índole económicas y prácticas, brinda la alternativa de optar por otra alternativa, ya que
en lugar de investigar el total de la población, se investiga tan sólo una parte de ella,
proporcionando con esto la información en forma más oportuna, eficiente y exacta,
eliminando con ello recurrir a encuestar a toda la población. La Muestra de la población,
según Hurtado y Toro (1999, pág. 79) será un subconjunto de elementos de esa
población. Donde los Elementos son las unidades individuales que componen la
población.
El producto final del software es el diseño de barras flexibles en una subestación
eléctrica, las cuales pueden estar fabricadas por conductores trenzados, de diferentes
materiales tales como: aluminio, aleación de aluminio (AAC) y aluminio reforzado con
acero (ACSR); cuyas características técnicas se encuentran en las tablas 1, 2, 3 en los
anexos. En esta investigación la muestra y la población son iguales, ya que la base de
datos de la aplicación está integrada por todos los conductores flexibles indicados en
las mencionadas tablas. El criterio que privo en esta selección es que esos conductores
son los más utilizados, los más económicos, y además satisfacen las propiedades
eléctricas y mecánicas exigidas para barras flexibles de subestaciones eléctricas.
3.4. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
Bavaresco (1997, pág. 95), plantea que la investigación no tiene significativo sin
las técnicas de recolección de datos, debido a que estas técnicas conducen a la
verificación del problema planteado. También define que cada tipo de investigación
determinara que técnicas se van a implementar y cada una de ella especifica sus
herramientas, instrumentos o medios a emplear en dicha proceso. Particularmente, se
DERECHOS RESERVADOS
- 95 -
definirán a continuación las técnicas empleadas durante la realización de este trabajo
especial de grado.
La Observación según Martínez (2006, pág. 136), la observación es una técnica
que consiste en detallar atentamente el fenómeno, hecho o caso de estudio, tomar la
información y registrarla para su posterior análisis. La observación, es un elemento
fundamental en todo proceso investigativo, porque en ella se apoya el investigador para
obtener el mayor numero de datos; ella está compuesta por una serie de pasos, los
cuales consisten en determinar el objeto, situación, caso, establecer los objetivos de la
observación, observar crítica y cuidadosamente, registrar los datos observados, analizar
e interpretar los datos obtenidos y elaborar las conclusiones al respecto.
a- Observación Documental:
Una de las técnicas utilizada durante el proceso de investigación fue la de la
observación documental o bibliográfica, que de acuerdo a lo expuesto por Bavaresco
(2006, pág. 99), tiene su apoyo en los distintos tipos de notas de contenido, y ésta se
percata de lo que está escrito o relacionada con el tema que se escogió como
investigación.
A través de esta técnica, fue que se obtuvo la información para estructurar el
marco teórico del mismo, además se realizo una revisión de normas, Especificaciones
técnicas y revisión de proceso de cálculos manuales con el fin de obtener bases sólidas
para proponer lo que mejor se adapte a las características del software a diseñar.
Dichos documentos son los siguientes:
CIGRE Study Committee 23 (Substations) Working Group 23-11
(Substations and Environnement) ESCC Task Force (Effects of Short-
Circuit Currents)
Norma IEC 865-1 (2000).
Subestaciones de alta y extra alta tensión (Carlos Felipe Ramírez).
DERECHOS RESERVADOS
- 96 -
b- Observación Indirecta:
Esta técnica según Méndez (2006, Pág. 251) resulta útil y viable cuando se trata
de conocer hechos o situaciones que de algún modo tiene un cierto carácter público, o
que por lo menos no pertenecen estrictamente a la esfera de las conductas privadas. La
observación no directa o simple puede ser indirecta cuando se emplea elementos que
registren aspectos visuales y auditivos del problema de la investigación.
En consecuencia, en esta investigación se efectuó este tipo de observación,
debido a que todos los catálogos utilizados para la obtención del producto final que es
la selección de la barra flexible necesaria en la subestación eléctrica, tomadas como
fuente de estudio, ya habían sido realizadas y proporcionadas. Este proceso de cálculo
y catálogos necesarios, están consignados en archivos de formato PDF y libros
utilizados para la investigación, donde la información técnica de los catálogos son: el
Código, kCM, Sección total [mm2], Composición hilos x Diámetro Aluminio o Acero
[mm], Masa [kg/m], Carga de ruptura [kN] ,Corriente asignada[A] y diámetro del hilo
conductor [mm].
c- Observación Directa:
De acuerdo a lo que plantea Martínez (2006, pág. 138), la observación directa es
la técnica clásica primaria y más usada por los investigadores cualitativos para adquirir
información. Para ello, el investigador vive lo más que puede con las personas o grupos
que desea investigar, compartiendo sus usos, costumbres, estilo y modalidades de vida.
Para lograr esto, el investigador debe ser aceptado por esas personas, y sólo lo será en
la medida en que sea percibido como "una buena persona", franca, honesta, inofensiva
y digna de confianza. Al participar en sus actividades corrientes y cotidianas, va
tomando notas de campo pormenorizadas en el lugar de los hechos o tan pronto como
le sea posible. Estas notas son, después, revisadas periódicamente con el fin de
completarlas (en caso de que no lo estén) y, también, para reorientar la observación e
investigación.
DERECHOS RESERVADOS
- 97 -
En esta investigación se aplica este tipo de observación, debido a que después
de llevar a cabo el software para el diseño de barras flexibles asistido por computadora;
fue necesario observar su desarrollo, y verificar si el proceso de ingreso de datos se ha
ejecutado correctamente, así como la veracidad de los datos de salida, que permitieron
inferir si se estaba efectuando correctamente el proceso de cálculo. Además se pudo
observar y constatar la amigabilidad visual del mismo al momento de su desarrollo.
Aunado a esto, es importante mencionar los instrumentos de recolección de
datos, que de acuerdo a los que plantea Martínez (2004, pág. 249), son aquellos que
nos permiten recolectar la información que sea necesaria o conveniente, y en cada caso
los determinan el tipo de problema que se este investigando. Se puede decir entonces
que, en esta investigación el instrumento de recolección de información aplicado en la
técnica de Observación Directa e Indirecta fue una carpeta electrónica, para almacenar
la información recolectada de diferentes autores.
3.5- FASES DE LA INVESTIGACIÓN
Fase I: Identificación del proceso de cálculo establecido en la normativa vigente
para el diseño de barras flexibles de subestaciones eléctricas.
Se extrajo la información del proceso de cálculo de barras flexibles de las
diferentes documentaciones citadas, con las cuales fue posible realizar una serie de
análisis para conocer el método más didáctico para la realización del software
requerido, y así cumplir con los objetivos de la presente investigación. Este proceso se
realizó por medio de las normativas mencionadas anteriormente.
Una vez, extraída la información del proceso de cálculo de barras flexibles según
la norma IEC, a través de la documentación obtenida, se transcribió esta información
en un archivo bajo el word, para analizar cuáles son las variables necesarias para la
realización del software a diseñar, enfocándose en la condición más crítica para la
selección de dicha barra flexibles, donde sería la parte ambiental, para determinar
cuáles son los datos necesarios del software para resolver el proceso de cálculo y
DERECHOS RESERVADOS
- 98 -
especificar la barra más adecuada para dichas condiciones. Este estudio se hizo por
medio de la elaboración de cálculos manuales para adquirir destrezas en el proceso de
diseño de barras flexibles.
Fase II: Definición de los requerimientos del software.
Después de conocer el proceso de cálculo de barras flexibles según la norma
IEC, y estar familiarizado con el mismo, es necesario determinar los requerimientos del
software, en los cuales se encuentran parámetros eléctricos y mecánicos necesarios
como datos de entrada, y los suministrados por el software en los datos de salida. De
igual manera, el contenido de las librerías que integra la base de datos
FASE III: Definición de la filosofía de operación del software.
En esta fase se realiza el ingreso de datos, que permite el procesamiento del
diagrama de flujo, que es en sí la programación utilizada, que da como resultado la
salida de datos, que es simplemente la selección de la barra flexible y así poder llevar a
cabo la impresión y visualización en pantalla para un mejor análisis del resultado
obtenido.
FASE IV: Desarrollo del software
Una vez establecido el diseño completo, se comienza la construcción del
software, donde se propone construcción de archivos y vinculación con los mismos a
través de algoritmo de cálculo y codificación. Además de las pantallas principales,
menús, actividades interactivas que poseerá el software y que se realizarán en un
sistema operativo compatible.
FASE V: Comprobación del funcionamiento del software.
La misma se hace a través de:
DERECHOS RESERVADOS
- 99 -
La Selección de casos de estudio
El Diseño de barra flexible mediante cálculos manuales
El Diseño de barra flexible asistido por computadora
La comparación y análisis de resultados de ambas modalidades de cálculo.
DERECHOS RESERVADOS
- 100 -
DERECHOS RESERVADOS
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CAPÍTULO IV
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS
En el presente capítulo se expresan los resultados obtenidos del proceso de
investigación, en los mismos se evidencian el análisis realizado y también se muestra la
discusión de los mismos. Tales aspectos pueden subdividirse en dos partes
fundamentales que son: Los Aspectos generales del software, los requisitos y la base
de conocimientos necesarios para ejecutar el software.
Además se describen los criterios y los recursos utilizados para la construcción
del software. Seguida este se encuentra el Manual del usuario: esta es la segunda parte
de este capítulo, y comienza con la descripción del procedimiento de instalación del
software. El manual del usuario describe de forma detallada el significado y manejo de
cada una de las partes que conforman el software desarrollado.
4.1- IDENTIFICACIÓN DEL PROCESO DE CÁLCULO ESTABLECIDO EN LA
NORMATIVA VIGENTE PARA EL DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES DE
SUBESTACIONES ELÉCTRICAS.
Para poder Identificar el proceso de cálculo para el diseño de barras flexibles de
subestaciones eléctricas, se llevo a cabo un proceso de análisis de lo establecido en la
norma vigente, el cual esta explicado en la sección 2.2 del marco teórico de esta
investigación.
Para ilustrar este proceso se selecciono un ejemplo que fue desarrollado
mediante cálculos manuales aplicando el mencionado método, y los resultados se
encuentran detallados en los apéndices A, B, C, D.
DERECHOS RESERVADOS
- 102 -
El ejemplo trata del diseño de barras flexibles de una subestación eléctrica con
las siguientes características:
La corriente nominal 502 A, la cual es la principal característica para el diseño de
una subestación eléctrica.
El nivel de cortocircuito será 16.53 KA, los cuales será necesarias para calcular
mas cargas de cortocircuito
El nivel de tensión será 161 Kv para diseñar una subestación de alta tensión las
cuales son las más reconocidas y se necesitan para determinar el número de
aisladores.
El Nivel Básico por Rayo (NBI) será 750 Kv que se encuentra estandarizado para
dicho nivel de tensión.
El calibre y material del conductor será 795 KCMIL, 26/7 ACSR que se selecciona
a partir de la corriente nominal e indica el calibre 795 KCMIL, numero de hilos 26
de aluminio y 7 de acero y material ACSR
El material será ACSR debido que sus propiedades eléctricas y mecánicas son
las utilizadas para el diseño de una subestación eléctrica debido que tienen
mayor resistencia mecánica, conductividad eléctrica y menos perdidas, dichas
propiedades se pueden ver en la tabla 2.1 en el Marco teórico de esta
investigación.
Las propiedades técnicas del material seleccionado serán las del calibre 795
KCMIL código Drake en las cuales se pueden ver en el anexo tabla 3 las cuales
son necesarias para el diseño.
La longitud del vano será 70m debido que es una de las más recomendadas para
disminuir las Flecha máxima.
La Frecuencia del sistema es la utilizada por los americanos la cual es 60 Hz.
Las condiciones ambientales serán las del Estado Zulia, Venezuela, las cuales se
pueden mencionar:
o La temperatura ambiente 30 °C
o La radiación solar es 1150 W/m debido que estamos en la zona del trópico
o La altitud es 6 m con respecto del mar
DERECHOS RESERVADOS
- 103 -
o Velocidad del viento 0.5 m/s recomendado
o Coeficiente de absorción de la superficie del conductor 0.27 para
conductores nuevos
o Corrección del Nusselt es cual varía dependiendo del ángulo de inclinación
para este caso será 90° perpendicular al conductor.
Los datos adicionales de diseño utilizados para el proceso de cálculo manual
contiene las características de donde se va a construir la subestación.
o Temperatura inicial del cortocircuito = 90°C
o Temperatura final del cortocircuito = 140 °C
o Tiempo de duración del cortocircuito = 1 seg
o Coeficiente de limpieza 0.9 para conductores nuevos
o Altura del conductor con respecto a tierra = 6 m
o Número de conductores por Fase (n) = 1debido que es más económico.
o Tensión mecánica del conductor = 8896 N, obtenida de los datos
suministrados por el fabricante del conductor
o Valor de resistencia a reactancia del circuito (R/X) =0.2 depende del tipo de
conexión de la subestación eléctrica.
o Categoría de exposición del terreno C debido que el terreno se diseñara en
un lugar abierto ,véase tabla 2.5
o La altura sobre terreno de desplante 5m es la utilizada para el diseño de
las bases de las subestación.
o Velocidad del viento de diseño 28m/s valor recomendado.
o Tipo de perfil del suelo 1, véase tabla 2.6 en el marco teórico
o Periodo de vibración 1, debido que en el Estado Zulia no se ocurren
frecuentemente sismos.
Al conocer cada uno de los datos especificados anteriormente se realiza el
proceso de cálculo manual explicado en el apéndice A, en lo cual se puede concluir que
para el procedimiento de cálculo de barras, implica el uso de ecuaciones con variedad
de constantes que se obtienen de la información suministrada por fabricantes de
DERECHOS RESERVADOS
- 104 -
conductores eléctricos y aisladores, al igual que otros para considerar los efectos
térmicos, sísmicos entre otros Para el cálculo de la temperatura de los conductores se
deben tener en cuenta dos aspectos, el eléctrico y el meteorológico, siendo este un
tema importante a ser tenido en cuenta, ya que los parámetros meteorológicos
influencian el estado térmico del conductor, éste está afectado principalmente por la
velocidad del viento, su dirección y turbulencia, la temperatura ambiente y la radiación
solar.
Generalmente en este proceso, es necesario verificar que ciertos parámetros
cumplan especificaciones previamente definidas, apegadas a la correspondiente
normativa, y por ello, es usual repetir cálculos hasta lograr satisfacer los criterios
preestablecidos, por lo cual se vuelve tedioso y fastidioso, además el tiempo de cálculo
global para diseñar una subestación es sumamente alto sin estar seguros si podamos
usar el material de la barra pre-seleccionada.
Por ende, para disminuir este tiempo, para aprovecharlo en otros tipos de
estudios o actividades intrínsecas de la ingeniería de diseño se desarrollo un software
que facilite el proceso de diseño de las barras flexibles de una subestación eléctrica,
sistematizando el amplio y tedioso conjunto de consideraciones técnicas y cálculos
asociados, garantizando la precisión de los mismos, y asegurando el cumplimiento de lo
establecido en las normas vigentes que rigen a este tipo de instalaciones eléctricas.
4.2.- REQUERIMIENTOS DEL SOFTWARE
El software a diseñar debe ser capaz de:
Permitir el diseño utilizando conductores flexibles de acero, aluminio, aleación de
aluminio (ACSR).
La selección del calibre del conductor se debe realizar utilizando el criterio de
ampacidad.
A partir del nivel de tensión, seleccionar la cantidad de aisladores que integran
una cadena de aislamiento.
DERECHOS RESERVADOS
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Debe soportar el nivel de cortocircuito requerido para el diseño.
La longitud del vano determinara la flecha máxima del conductor y tensión
máxima horizontal en la cadena de aisladores
Diseñar Barras flexibles para cualquier frecuencia del sistema.
Corregir el número adimensional Nusselt a partir del anglo de incidencia
Para datos predeterminados por algún otro estudio se debe visualizar en una
pantalla para conocer el empleo de dichos datos.
A partir de la temperatura inicial y final determinar la densidad de cortocircuito
para cualquier tiempo del mismo
Conociendo la altitud y la temperatura ambiente calcular la densidad relativa del
aire, presión del aire y campo eléctrico disruptivo critico (Efecto corona).
Determinar el coeficiente de Maxwell que se calcula como una matriz conociendo
los datos técnicos de la barra.
Poder calcular matrices inversas para determinar la capacitancia máxima y a
partir de ello conocer la carga máxima.
Calcular el campo eléctrico disruptivo máximo a partir del nivel de tensión del
sistema, coeficiente de Maxwell, datos técnicos de la barra y número de
conductores por fase para disminuir el efecto corona
La pre-selección de la barra flexible no debe presentar efecto corona.
Cuando no se conozcan algunos datos del sistema el software tomara por
defecto valores recomendados para el diseño de la barra flexible.
4.3.- FILOSOFIA DE OPERACIÓN DEL SOFTWARE
Debido a los requerimientos del software fue necesario crear la arquitectura y
diagramas de flujo del mismo, es por ello que la herramienta computacional se dividido
en 3 módulos, entre ellos:
Módulo de Ingresar Datos
Módulo de Calcular, que a su vez se divide en cuatro sub- módulos
Sub- Módulo Seleccionar Calibre del Conductor para Ampacidad
Sub- Módulo de cálculo de flecha máxima
DERECHOS RESERVADOS
- 106 -
Sub- Módulo de tensión máxima horizontal
Sub- Módulo de Comprobación de efecto corona
Módulo de salida
4.3.1- DIAGRAMAS DE FLUJO
En los anexos se encuentra detallado los diagramas de flujo para cada uno de los
mencionados módulos, especificando su respectivo modo de operación.
4.4.- ASPECTOS GENERALES DEL SOFTWARE
4.4.1- NOMBRE DEL SOFTWARE
El nombre asignado para el software diseñado durante el trabajo especial de
grado es DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES 2009. El mismo hace referencia al diseño
de barras flexibles en subestaciones eléctricas.
4.4.2- DISEÑO DEL SOFTWARE
DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES 2009 ha sido desarrollado con el entorno de
programación Microsoft Visual C # 2008. Con este programa se van a realizar tanto las
pantallas como los iconos a programas y el lenguaje de programación todo en el mismo
programa. El mismo ha sido probado con éxito en los siguientes sistemas operativos de
32 bits de Microsoft: Windows XP y Windows Vista.
El software ha sido desarrollado para satisfacer las necesidades de usuarios bien
diferenciados, es decir, estudiantes de ingeniería eléctrica y profesionales de la
ingeniería eléctrica. Los primeros necesitan un programa que les ayude a afianzar su
aprendizaje, mientras que los segundos tienen una necesidad real en su entorno
laboral, problemas en particular que necesitan resolver con la mayor simplicidad
posible.
DERECHOS RESERVADOS
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El satisfacer las necesidades de los estudiantes es algo más complicado que la
de los profesionales, ya que los primeros necesitan llegar más a fondo en la solución de
problemas, mientras que los segundos, básicamente, sólo necesitan resultados.
4.4.3- CRITERIOS
El software DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES 2009 está proyectado para diseñar
barras flexibles en una subestación eléctrica. Asimismo, los componentes necesarios
para el mismo, son los datos técnicos de la barra flexible, los datos ambientales y
funcionamiento que corresponden a los datos de entrada y salida, es decir, los
resultados obtenidos los cuales son manejados por dicho software
Se utiliza el método de cálculo expresado en el capítulo II de la presente
investigación, donde el software DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES 2009 calcula la
temperatura superficial del conductor, Efecto corona y Evaluación de Cargas, entre
otros, de manera automática a partir de los datos ingresados y los datos de salida
calculados son los resultados obtenidos que permiten conocer los datos técnicos de la
barra flexible para su diseño en una subestación eléctrica.
4.4.4- REQUISITOS DEL SISTEMA
Se requieren los siguientes componentes de hardware y software para poder
utilizar el software DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES 2009:
Un computador con sistema operativo Microsoft Windows de 32 bits como son:
Windows XP ó Windows Vista.
Procesador 80586 o superior.
Monitor VGA y dispositivo de salida de video con una resolución mínima de
640x480.
Una impresora es requerida para la impresión en papel de los datos de entrada y de
salida.
Dispositivo Mouse (ratón).
DERECHOS RESERVADOS
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Internet Explorer. No se requiere el servicio de internet, solamente las librerías que
actualizan al sistema operativo.
Se requiere unidad de lectura de CD-ROM para la instalación del paquete y espacio
en disco duro.
4.4.5- REQUISITOS DEL USUARIO
El usuario debe cumplir con un mínimo de requisitos para poder manejar del
software DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES 2009, así como para comprender e
interpretar correctamente los datos de entrada y de salida arrojados por el mismo.
El usuario debe ser un profesional o estudiante de Ingeniería Eléctrica.
En caso de no ser ingeniero en el área deberá haber aprobado el curso de
Análisis de Sistemas de Potencia y haber aprobado o estar cursando la asignatura
Diseño de Subestaciones Eléctricas.
Deberá dominar y comprender las bases teóricas que comprenden el capítulo II de
este trabajo de investigación, donde se fundamenta el diseño del software DISEÑO
DE BARRAS FLEXIBLES 2009.
Tener experiencia en el empleo de herramientas de software, características de la
plataforma operativa Microsoft Windows, ya que esto facilitaría el manejo del
mencionado software.
4.5- MANUAL DE USUARIO
4.5.1- INSTALACIÓN DEL SOFTWARE DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES
2009.
Para utilizar el programa, este debe ser instalado en el computador donde se
ejecutará. El proceso de instalación del programa se iniciará de forma automática en la
mayoría de los computadores cuando se inserte el CD de DISEÑO DE BARRAS
FLEXIBLES 2009 en la unidad de CD-ROM. En este caso, se mostrará una ventana
similar a la que se muestra en la Figura 4.1
DERECHOS RESERVADOS
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Figura 4.1 Ventana de presentación para la instalación del software
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
En caso de que el proceso de instalación no se inicie automáticamente, el usuario
deberá iniciarlo de forma manual. El sistema operativo Microsoft Windows ofrece varias
maneras de realizar esta tarea; una de ellas consiste en cargar la ventana ‘Ejecutar’
desde el menú ‘Inicio’ y escribir “D:\Autorun.exe” como se muestra en la Figura 4.2,
asumiendo que la letra de unidad ‘D’ corresponde a la unidad de CD-ROM en donde se
ha insertado previamente el CD de instalación de DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES
2009. En la ventana de presentación (Figura 4.1) se debe hacer clic sobre las letras de
color, después de lo cual se muestra la pantalla de bienvenida (Figura 4.2).
Figura 4.2 Ventana de bienvenida a la instalación del software
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
DERECHOS RESERVADOS
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Al presentarse la ventana de bienvenida, el usuario deberá seleccionar el botón
‘Aceptar’ para iniciar el proceso de instalación. Si se desea cancelar dicho proceso, el
usuario podrá seleccionar el botón ‘Salir’.
Seguidamente aparecerá una ventana similar a la mostrada en la Figura 4.3, Con
la cual el usuario podrá cambiar si lo desea la ubicación en disco (el directorio) donde
se desea instalar el programa. La ubicación por defecto es “C:\Archivos de programa\
DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES 2009 y es por lo general la aceptada por el usuario y
la más recomendada.
Figura 4.3 Ventana con botón para inicio de la instalación del software
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
Para cambiar el directorio de instalación se debe seleccionar el botón ‘Cambiar
directorio’. Para continuar con la instalación el usuario deberá seleccionar el botón con
el dibujo de un computador sobre él, que se puede apreciar en la Figura 4.3
La ventana siguiente será similar a la que se muestra en la Figura 4.4, con la cual
se puede seleccionar el nombre del grupo de programas del menú inicio donde se
colocarán los accesos al software Diseño de barras flexibles 2009. Se recomienda
utilizar el nombre asignado por defecto, DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES 2009 y
seleccionar el botón ‘Continuar’ para seguir con la instalación.
DERECHOS RESERVADOS
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Figura 4.4- Ventana para la selección del grupo de programas para la instalación
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
Hasta este punto, ya se ha recolectado la información necesaria para el proceso de
instalación del Software Diseño de Barras Flexibles 2009 y aparecerá entonces una
ventana como la que se muestra en la Figura 4.5, la cual le indica al usuario el progreso
de la instalación mediante una barra horizontal que se irá rellenando de izquierda a
derecha.
Figura 4.5 Ventana con indicador del progreso de la instalación del software
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
Finalmente se mostrará un cuadro de diálogo indicando el fin de la instalación, como
se muestra en la Figura 4.6. Se debe seleccionar el botón ‘Aceptar’ para finalizar
totalmente el proceso de instalación, después de lo cual sólo será necesario cargar
desde el menú inicio del software Diseño de Barras Flexibles 2009 para comenzar a
usarlo. El acceso al programa desde el menú inicio se encontrará en el nombre del
grupo de programas seleccionado a través de la ventana de la Figura 4.5.
DERECHOS RESERVADOS
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Figura 4.6. Ventana que indica el fin de la instalación del software
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
4.5.2- VENTANA PRINCIPAL DEL PROGRAMA.
Cada vez que se carga el software Diseño de Barras Flexibles 2009 comienza
siempre con un nuevo archivo, y queda listo para insertar los datos del sistema de
subestaciones que se desea diseñar. En la Figura 4.7 se muestra la ventana principal
del programa.
Figura 4.7 Ventana principal del software Diseño de Barras Flexibles 2009
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
Aquí se distinguen cinco partes fundamentales en las cuales se subdivide el área de
trabajo que son:
DERECHOS RESERVADOS
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El menú.
La barra de herramientas principal.
Área de datos del sistema.
Área de datos generales.
Tabla de valores.
4.5.3- LA BARRA DE MENÚ.
Contiene todos los comandos disponibles en el programa. Se puede acceder al
menú utilizando un dispositivo ratón (mouse), aunque su principal utilidad consiste en su
capacidad de accederlo a través del teclado manteniendo presionada la tecla Alt más la
letra subrayada del comando de menú que se desea ejecutar. Esta propiedad del menú
es indispensable para aquellos computadores que no tienen instalado un dispositivo
ratón. El menú del software Diseño de Barras Flexibles 2009 se muestra en la Figura
4.8.
Figura 4.8. La barra de Menú del software Diseño de Barras Flexibles 2009.
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
Algunos comandos de menú tienen un código de teclado para acceder a ellos
inmediatamente, sin necesidad siquiera de dirigirse de manera alguna al menú. Este
código está indicado del lado derecho del comando de menú en cuestión tal como se
puede apreciar en la Figura 4.9. Por ejemplo, si el usuario está insertando datos del
sistema y desea almacenar en disco los datos insertados, sólo tiene que presionar
simultáneamente las teclas ‘Control’ y ‘G’.
DERECHOS RESERVADOS
- 114 -
a) EL MENÚ ‘ARCHIVO’
En la Figura 4.9 se muestran los comandos disponibles para el menú archivo.
Estos comandos gestionan (crear nuevo archivo en blanco, abrir, guardar en disco,
entre otros.) Los archivos manejados por el software Diseño de Barras Flexibles 2009.
Figura 4.9. Menú ‘Archivo’ desplegado, donde se muestran todos sus comandos.
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
b) EL COMANDO DE MENÚ ‘NUEVO’
También puede ser accedido a través de la barra de herramientas haciendo clic
sobre el botón o presionando las teclas de acceso rápido ‘Ctrl+N’.
Este comando prepara el programa para insertar los datos necesarios para un
nuevo sistema de subestación a diseñar. Serán borrados todos los datos previamente
insertados, y otros datos generales tomarán valores por defecto como se listan en la
Tabla 4.1. Estos valores por defecto son tomados, también, cuando el software Diseño
de Barras Flexibles 2009 está recién cargado.
Tabla 4.1. Valores por defecto que adquieren los campos del área de datos generales
DATO DEFECTO CARACTERISTICAS DE LA BARRA EN BLANCO CONDICIONES AMBIENTALES EN BLANCO FUNCIONAMIENTO EN BLANCO DATOS ADICIONALES EN BLANCO
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
DERECHOS RESERVADOS
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Este comando asigna un nombre por defecto al archivo nuevo que se está creando:
‘Sin título’. Este nombre de archivo puede ser cambiado posteriormente al momento de
guardar los cambios realizados.
c) EL COMANDO DE MENÚ ‘ABRIR’
Este comando también puede ser ejecutado a través de la barra de
herramientas haciendo clic sobre el botón o presionando las teclas de acceso rápido
‘Ctrl+A’.
Este comando muestra un cuadro de diálogo que permitirá buscar en las
unidades de disco y subdirectorios el archivo que se desea cargar, el cual debió ser
creado previamente por el software Diseño de Barras Flexibles 2009. En la Figura
4.10, se muestra el cuadro de diálogo ‘Abrir’, el cual debe ser familiar para aquellos
usuarios de programas en ambiente Windows. Con esta ventana se gestionan archivos
y directorios para abrir y guardar datos en disco.
Figura 4.10. Ventana de diálogo común del sistema operativo Windows.
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
La extensión asociada a los archivos utilizados por el software Diseño de Barras
Flexibles 2009 es ‘.dbf’, abreviatura de ‘Diseño de Barras Flexibles’. Este archivo
almacena la información completa de todos los elementos del sistema a diseñar
(características de la barra, condiciones ambientales, funcionamiento operativo) y los
datos generales (caso de estudio, valores adicionales necesarios para el corrimiento del
DERECHOS RESERVADOS
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diseño, y datos de salida). Este archivo no almacena las opciones accedidas a través
del comando de menú ‘Opciones’ o a través del botón en la barra de herramientas.
d) EL COMANDO DE MENÚ ‘GUARDAR’
También puede hacer clic sobre el botón en la barra de herramientas o presionar
las teclas de acceso rápido ‘Ctrl+G’ para acceder a este comando. Este comando
almacena en disco los datos del sistema de potencia y los datos generales en un
archivo con la extensión ‘.dbf’. Este comando puede hacer un llamado al comando
‘Guardar como’ de forma automática cuando sucedan uno o varios de los siguientes
eventos:
El usuario intenta guardar el archivo en una unidad que es de sólo lectura, bien
porque ésta está protegida (discos flexibles de 3½), porque la unidad consiste en
un lector de CD-ROM o porque no se tiene el permiso de guardar en la unidad
por parte de un administrador de red.
El nombre actual del archivo es ‘Sin título’.
El usuario intenta sobrescribir un archivo que es de sólo lectura.
e) EL COMANDO DE MENÚ ‘GUARDAR COMO’
Este comando no es accesible a través de la barra de herramientas, pero también
puede ser ejecutado presionando las teclas de acceso rápido ‘Ctrl+C’. Este comando
abre un cuadro de diálogo con el fin de seleccionar la unidad de disco, el directorio y el
nombre del archivo en el cual se desea guardar los datos del sistema de subestación y
los datos generales. Este cuadro de diálogo es mostrado incondicionalmente mediante
este comando, a diferencia del comando de menú ‘Guardar’.
DERECHOS RESERVADOS
- 117 -
f) EL COMANDO DE MENÚ ‘SALIR’
Este comando tiene el mismo efecto que el código de teclas de acceso rápido
‘Alt+F4’, o el botón , el cual se encuentra en la esquina superior derecha
de la ventana principal del software Diseño de Barras Flexibles 2009. Este comando
cierra el programa y libera la memoria utilizada por éste. En el caso de que no se haya
almacenado en disco los últimos cambios realizados en los datos insertados, aparecerá
una ventana como se muestra en la Figura 4.11, en la cual el usuario podrá seleccionar
‘Sí’ en el caso de que desee guardar los cambios realizados, ‘No’ en el caso de que
desee ignorarlos o ‘Cancelar’ si ya no quiere descargar el programa y desea seguir
usándolo.
Figura 4.11. Ventana de confirmación para guardar en disco los datos insertados o
modificados.
Fuente: Diseño de Barras Flexibles 2009
g) EL MENÚ ‘INSERTAR’
En la Figura 4.12 se muestra el menú ‘Insertar’. Contiene los comandos
necesarios para la inserción de datos sobre la topología del sistema a diseñar. Estos
comandos también pueden ser ejecutados a través de la barra de herramientas que se
encuentra en el área de ‘Datos del Sistema’. Los comandos presentes en este menú se
explicarán con más detalles en la sección 4.7.2
Figura 4.12 Menú ‘Insertar’ desplegado mostrando sus comandos.
Fuente: Diseño de Barras Flexibles 2009
DERECHOS RESERVADOS
- 118 -
h) EL COMANDO DE MENÚ ‘CALCULAR’
También puede ser accedido a través de la barra de herramientas principal
haciendo clic sobre el botón . Este comando inicia el diseño de la barra flexible. Se
darán más detalles.
i) EL MENÚ ‘CALCULADORA’
Los comandos presentes en este menú permiten ejecutar los programas
autónomos de calculadoras, con el fin de permitir y facilitar al usuario la realización de
cualquier operación matemática que pueda requerir al momento de insertar los datos de
entrada.
En la Figura 4.13 se muestra el menú ‘Calculadora’; en ella se observan los
comandos de menú que permiten cargar la calculadora de Windows y una realizada por
el mismo programa dando las funciones necesarias que requiere el programa. Del lado
derecho de la Figura 4.19 se muestran las teclas de acceso rápido de estos comandos.
Estos códigos de teclado funcionarán en cualquier ventana del software Diseño de
Barras Flexibles 2009.
Figura 4.13 Menú ‘Calculadora’ mostrando sus respectivas opciones.
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
DERECHOS RESERVADOS
- 119 -
4.5.4- LA BARRA DE HERRAMIENTAS PRINCIPAL
La barra de herramientas consiste en una serie de botones agrupados por debajo
del menú. Su aspecto se muestra en la Figura 4.14.
Figura 4.14 Barra de herramientas principal del software Diseño de Barras Flexibles 2009.
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
Su función es la de servir como acceso alternativo a los comandos del menú, y
se utiliza a través del dispositivo ratón. Cada botón de la barra de herramientas principal
consiste en un recuadro con un pequeño dibujo que pretende darle al usuario una idea
intuitiva y nemotécnica de su función. Asimismo, cada botón mostrará una pequeña
descripción en forma de texto cuando se posicione el puntero del ratón sobre el botón
en cuestión. Todos los comandos y opciones presentes en la barra de herramientas
principal ya han sido explicados en la sección 4.5.
4.5.5- ÁREA DE DATOS DEL SISTEMA
Esta es la parte de la ventana principal del software Diseño de Barras Flexibles
2009 que permite insertar los datos de los elementos que componen el sistema de
potencia. Como se puede ver en la Figura 4.15, esta área consiste básicamente en 5
fichas correspondientes a cada tipo de elemento, una barra de herramientas y el listado
de elementos de cada ficha.
Todas estas partes son detalladas en las secciones siguientes.
DERECHOS RESERVADOS
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Figura 4. 15 Área de la ventana principal donde se insertan los datos del sistema de
potencia.
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
4.5.6- CAMPO ‘CASO’
Es común en los estudios a grandes escalas que se realicen varias corridas de
los programas, correspondientes a simulaciones diferentes; por tal motivo, cada uno de
estos estudios debe llevar un nombre que lo distinga. Este nombre distintivo
corresponde al ‘Caso’ de estudio, y será impreso en el encabezado de todos los
reportes arrojados por el software Diseño de Barras Flexibles 2009.
4.5.7- EL BOTÓN ‘ACEPTAR
Se ejecuta haciendo clic con el ratón sobre el botón, o presionando
simultáneamente las teclas ‘Alt+A’ o presionando la tecla ‘Enter’. Se puede ver en la
Figura 4.16.
Figura 4.16 Botón ‘Aceptar’, el cual aparece en varias ventanas del software
Diseño de Barras Flexibles 2009.
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
DERECHOS RESERVADOS
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Mediante este botón se dará por entendido al software Diseño de Barra Flexible
2009 que ha finalizado la inserción o modificación de datos del elemento.
Inmediatamente, el programa verificará que todos los datos han sido debidamente
insertados. De ser así, se cerrará la ventana, los datos serán almacenados en memoria
y la descripción dada al elemento que se está insertando aparecerá sobre la ficha que
le corresponde.
En caso contrario, el software Diseño de Barras Flexibles 2009 mostrará un
mensaje de error indicando al usuario el error cometido, y se resaltará aquel campo en
el cual se cometió dicho error.
4.5.8- EL BOTÓN ‘CANCELAR’
Puede ser accedido haciendo clic con el ratón sobre el botón, o presionando
simultáneamente las teclas ‘Alt+C’, o presionando la tecla ‘Esc’, o haciendo clic con el
ratón en el botón que se ubica en la esquina superior derecha de la ventana. Se puede
ver en la Figura 4.22.
Figura 4.17 Botón ‘Cancelar’, el cual aparece en varias ventanas del software
Fuente: Diseño de Barras Flexibles 2009.
Este botón cerrará la ventana de datos e ignorará cualquier cambio que haya
realizado sobre los campos de datos.
En general, cualquier botón con la etiqueta ‘Cancelar’ presente en alguna
ventana del software Diseño de Barras Flexibles 2009 cerrará la ventana en cuestión
e ignorará cualquier cambio realizado en dicha ventana.
4.5.9- VENTANA ‘FUNCIONAMIENTO’
DERECHOS RESERVADOS
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En la Figura 4.17 se muestra la ventana que se abre al momento de agregar o
editar los datos. Entre ellos se encuentra los datos en para el diseño de la subestación
explicados en la siguiente sección , y los botones ‘Aceptar’ y ‘Cancelar’ explicados en la
sección 4.6.1 y la sección 4.6.2 respectivamente.
Figura 4.18 Ventana para la inserción de datos de las máquinas rotatorias.
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
4.5.10- EL CAMPO ‘CORRIENTE NOMINAL’
En este campo se debe indicar la corriente nominal de la subestación en A, y al
igual que la potencia nominal es determinante en el cambio de base de las impedancias
de la máquina en el caso en que estén expresadas en p.u. En caso contrario, este dato
no será requerido por el software Diseño de Barras Flexibles 2009.
4.5.11- EL CAMPO ‘CORRIENTE DE EMERGENCA’
En este campo se debe indicar la corriente de emergencia de la subestación en
A, que puede soportar en el conductor en dichas condiciones.
DERECHOS RESERVADOS
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4.5.12- EL CAMPO ‘NIVEL DE TENSIÓN’
En este campo se debe indicar la tensión nominal de la subestación en kV, y al
igual que la potencia nominal es determinante en el cambio de base de las impedancias
de la máquina en el caso en que estén expresadas en p.u. En caso contrario, este dato
no será requerido por el software Diseño de Barras Flexibles 2009.
4.5.13- EL CAMPO ‘LONGITUD DE LA BARRA’
En este campo se debe indicar la longitud del vano en metros (m) de la
subestación, que no es más que la distancia entre apoyos.
4.5.14- EL CAMPO ‘FRECUENCIAL DEL SISTEMA’
En este campo se debe indicar la frecuencia del sistema en Hz s, que es la
frecuencia nominal a la cual trabajaran los equipos de la subestación.
4.5.15- VENTANA ‘CARACTERISTICAS DE LA BARRA’
En la Figura 4.18 se muestra la ventana ‘Características de la Barra’. Los
parámetros de los recuadros serán llenados automáticamente al seleccionar el campo
material de la barra, en el cual es seleccionado dependiendo de la corriente nominal
utilizada en la ventana funcionamiento 4.19
DERECHOS RESERVADOS
- 124 -
Figura 4.19 Ventana para la inserción de datos de la Barra
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
Los parámetros de la característica de la Barra se ingresan a través de dos
recuadros contenidos en esta ventana, y que son:
Selección del material: este recuadro contiene las características del material
seleccionado el cual se observa en el Capítulo 2 tabla 2.1 el cual cada uno de los
datos será seleccionado para realizar el cálculo .
Corriente asignada: este recuadro es la corriente que puede soportar la barra la
cual se puede seleccionar una diversa cantidad véase en los Anexos tabla 2.
Cada uno de estos recuadros si el usuario tiene otro tipo de material con
diferentes especificaciones de corriente asignada podrá ingresarlos seleccionando
nuevo material.
4.5.16- VENTANA ‘CONDICIONES AMBIENTALES’ En la Figura 4.20 se muestra la ventana ‘Condiciones ambientales’. Los
parámetros meteorológicos de la zona en la cual se va a diseñar la subestación
eléctrica donde se necesitan diversidad de factores explicados
DERECHOS RESERVADOS
- 125 -
Figura 4.20 Ventana para la inserción de datos de Condiciones Ambientales Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
En esta ventana se especifican los datos necesarios para realizar las pérdidas
debido a las condiciones ambientales, las cuales se necesitan:
Temperatura ambiente: temperatura ambiente a la cual será diseñada la
subestación eléctrica.
Valor promedio de radiación solar: este valor se encuentra tabulado para la zona
del trópico en 1150 W/m si se encuentra en alguna otra zona el usuario la puede
cambiar a placer.
Velocidad del viento: valor del viento en donde se va a diseñar la subestación
eléctrica valor recomendado 0.5 m/s.
Altitud: es la altura medida desde el nivel del mar hasta donde se va a diseñar la
subestación eléctrica medida en metros (m).
Coeficiente de absorción de la superficie del conductor: en este recuadro se
tienen tabulado 3 valores los cuales al ser seleccionado se especifica el material
a utilizar.
Radiación solar: es la cantidad de energía por metros emitida por el estrella solar
en la zona donde se va a diseñar la subestación eléctrica.
Corrección del Nusselt: en este recuadro se encuentran 3 opciones se corrección
del numero adimensional Nusselt en cual varía dependiendo de la incidencia del
DERECHOS RESERVADOS
- 126 -
ángulo de inclinación del viento sobre el conductor, para 90 grados es simple, y
180 grados flujo paralelo como se observa figura 4.21
Figura 4.21 Corrección del Nusselt Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
4.5.17- VENTANA ‘DATOS ADICIONALES’ En la Figura 4.22 se muestra la ventana ‘Datos adicionales’. Los parámetros de
los recuadros son los utilizados para satisfacer los requerimientos para el
procesamiento de cálculos establecido por la normativa vigente
Figura 4.22 Ventana para la inserción de datos de Datos adicionales. Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
DERECHOS RESERVADOS
- 127 -
En esta ventana se muestran recuadros importantes para el diseño de la barra en
los cuales podemos mencionar los más importantes como son:
Número de conductores por fase (n) : el cual determina el número de conductores
necesarios para evitar el efecto corona
Temperatura inicial y final de cortocircuito: son las temperaturas a las cuales se le
realizaran las pruebas de cortocircuito al material.
Factor de exposición del terreno: en los cuales hay 4 tipos que se pueden elegir
si se le da al botón (ver) se mostrara la tabla en el cual contiene cada tipo de
factor que muestra el tipo de terreno donde se va a diseñar la subestación
eléctrica.
Tipo de perfil de suelo: en los cuales hay 4 tipos que se pueden elegir si se le da
al botón (ver) se mostrara la tabla en el cual contiene cada tipo de factor que
dependen del factor de exposición
4.5.18-INICIAR EL DISEÑO DE BARRA FLEXIBLE
Una vez ingresados todos los datos necesarios para una corrida del software, se
procede entonces a seleccionar el comando ‘Calcular’ del menú, o hacer clic con el
ratón sobre el botón de la barra de herramientas principal. Inmediatamente, el software
Diseño de Barras Flexibles 2009 comenzará a realizar todos los cálculos necesarios
al mismo tiempo que ejecuta otras acciones de chequeos de errores tales como:
Verificar la correcta inserción de los valores base del sistema.
Verificar la correcta inserción de la información relativa al recuadro ‘Datos
adicionales’ (ver Figura 4.11).
4.5.19- LOS RESULTADOS Los reportes son los encargados de imprimir por pantalla y por papel los datos de
entrada y de salida del software Diseño de Barras Flexibles 2009.
DERECHOS RESERVADOS
- 128 -
Aparecen reportes mostrando el total de elementos del sistema de potencia
cuando se activa el comando ‘Ver todos’ del menú ‘Insertar’ o a través de la barra de
herramientas principal, haciendo clic sobre el botón , como se explicó en la sección
4.5.11. Todos los comandos del menú ‘Salidas’ muestran reportes con los
resultados obtenidos por el software Diseño de Barras flexibles 2009, como se explicó
en la sección 4.5.5.
Figura 4.23. Tabla de resultados de los valores calculados y material y nivel de tensión seleccionado
Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
4.5.20- LA VENTANA ‘AYUDA’ A través de esta ventana (Figura 4.24) el usuario podrá cambiar las opciones en
lo que al funcionamiento del software Diseño de Barras Flexibles 2009 se refiere.
Las configuraciones modificadas a través de la ventana ‘Opciones’ son
guardadas en el registro de configuraciones que el sistema operativo ‘Windows’
almacena para cada usuario. Esto quiere decir que cada usuario de una misma estación
de trabajo podrá tener sus propias configuraciones del software Diseño de Barras
Flexibles 2009, y éstas se aplicarán para todos los estudios de diseño de una
DERECHOS RESERVADOS
- 129 -
subestación eléctrica que realice dicho usuario. Ninguna de las configuraciones
realizadas en la ventana ‘Opciones’ se almacena en los archivos de tipo ‘dbf’.
Figura 4.24 Ventana ‘Ayuda’ mostrando la ficha ‘Generales’ Fuente: Diseño de Barras flexibles 2009
4.5.21- LA FICHA DE OPCIONES ‘GENERALES’
EL CAMPO ‘USUARIO’ En este campo el usuario podrá escribir su nombre. Éste aparecerá con el
subtítulo ‘Realizado por:’ en cada uno de los reportes impresos por el Software Diseño
de Barras Flexibles 2009.
LA OPCIÓN ‘LIMPIAR CAMPOS CADA VEZ QUE SE AGREGUE UN ÍTEM’
Por defecto, esta opción está deshabilitada. En este caso, cada vez que se
agreguen elementos del sistema de potencia (Material pre-seleccionado (características
de la barra), Condiciones ambientales, Funcionamiento del sistema, Datos adicionales
para el corrimiento del cálculo), los campos de datos aparecerán llenados con los datos
del elemento insertado anteriormente. Esta propiedad es particularmente útil cuando se
van a insertar varios elementos cuyos datos son exactamente iguales o semejantes, en
cuyo caso el usuario sólo tendrá que escribir los datos al insertar el primero de estos
elementos. Si por alguna razón el usuario se siente incómodo con esta propiedad,
deberá habilitar esta opción para que los campos aparezcan vacíos cada vez que se
vaya a agregar un elemento del sistema a diseñar.
DERECHOS RESERVADOS
- 130 -
4.6- COMPROBACIÓN DE RESULTADOS
Este capítulo tratará el delicado punto de la validación del software Diseño de
Barras Flexibles 2009. En otras palabras, se pretende demostrar que los resultados
arrojados por el software mencionado son correctos. Un programa de computadora, o
software, se valida con un procedimiento bastante simple e intuitivo: se introducen al
programa datos de entrada pertenecientes a un problema cuyos resultados se conocen
previamente de fuentes confiables de textos de autores reconocidos, y luego se
comparan con los resultados arrojados por el programa en cuestión. Parece bastante
simple, pero es importante resaltar ciertos aspectos a la hora de seleccionar los
problemas que servirán para la validación.
Caso 1: se ha seleccionado un sistema a diseñar de barras flexibles al ejemplo h
capítulo 8 del texto del autor Harper, Gilberto Henríquez. Este sistema presenta
características particulares que, en donde se calculan los efectos de las cadena
de aisladores en el diseño de las barras flexibles que cumple el software Diseño
de Barras Flexibles 2009, por lo que la validación de estos procedimientos es
obligatoria
Caso 2: se han calculado manualmente los demás requerimientos para el diseño
de barras flexibles según la normativa vigente donde se evidencia los resultados
de cada uno de los módulos de cálculos del software.
Cada uno de estos problemas se presentará sus datos de entrada y de salida, tal
como están indicados en sus fuentes originales. Asimismo, los datos de entrada y de
salida entregados por el software Diseño de Barras Flexibles 2009 se mostrarán sin
transcripciones intermedias. Cada problema será descrito, comparado y comentado con
detalle.
Separadamente, se transcribirán los resultados obtenidos por ambas fuentes (el
software Diseño de Barras Flexibles 2009 y el problema referencia) hacia tablas para
facilitar la comparación. En cada celda de estas tablas se ubicará en una subdivisión
DERECHOS RESERVADOS
- 131 -
superior el resultado calculado por el software desarrollado, y en una subdivisión inferior
el resultado proveniente del problema de referencia, como se ilustra en la tabla 4.1. Se
mostrarán las diferencias relativas porcentuales en una subdivisión derecha en cada
celda. Para ello se utilizará la siguiente fórmula
Ecuación 4.1
Se asumirá que el valor obtenido con el software Diseño de Barras Flexibles
2009 es aproximado aunque, internamente, éste trabaja con ochos decimales de
precisión. Asimismo se asumirá que el resultado proveniente de los textos y cálculos
manuales.
CASO 1: Efecto de Cadena de aisladores
Se comenzará por comparar un sistema a diseñar de barras flexibles al ejemplo
h capítulo 8 (página 529) del texto del autor Harper, Gilberto Henríquez. Este sistema
presenta características particulares que, en donde se calculan los efectos de la cadena
de aisladores en el diseño de las barras flexibles.
Este ejemplo tiene interesantes particularidades que permitirá comprobar lo
siguiente:
Determinar el número de aisladores según nivel de tensión del sistema a diseñar.
Calcular la flecha de la cadena de aisladores en el sistema.
En el Apéndice ‘A’ se muestran los datos de entrada y de salida de este ejemplo
tal y como aparecen en el texto.
DERECHOS RESERVADOS
- 132 -
Tabla 4.1 COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS ARROJADOS POR EL SOFTWARE DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES 2009 Y Harper.
Diseño de Barras
Flexibles 2009
Harper, Gilberto
Henríquez
Número de
Aisladores
10 10 0
Flecha de la cadena
de aisladores
0.116 0.116 0
Fuente propia (Cordero 2009)
Donde se evidencia que el porcentaje de error es del 0%
CASO 2: Cálculos manuales efectuados para el diseño de barras flexibles
Se utilizan los mismos datos del ejemplo de Harper (2002) y se calcularon las
pérdidas generadas por las condiciones ambientales, la tensión máxima horizontal,
flecha máxima del conductor y comprobación del efecto corona.
El cálculo manual realizado es sumamente extenso y tedioso por lo cual se
dividió en módulos para dividir criterios de diseño en los apéndices B, C y D se
muestran detallados los módulos de cálculos que deben realizar el software para
satisfacer la norma de diseño vigente.
DERECHOS RESERVADOS
- 133 -
Tabla 4.2 COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS ARROJADOS POR EL SOFTWARE DISEÑO DE BARRAS FLEXIBLES 2009 Y CALCULOS MANUALES
Diseño de
Barras Flexibles
2009
Cálculos
Manuales
Dif.
Absoluta
Carga de Peso Propio 15.974 15.974 0
Carga debido a los
Efectos de Cortocircuito
31.423 31.422 0.001
Carga debido al Viento 0,131 0,1311 0.0001
Carga del Sismo 2.492 2.491 0.001
Carga por Hielo y Efecto
del Viento
16.009 16.008 0.001
Carga Total sobre el
Conductor
52.55 52.5501 0.0001
Flecha de la Cadena de
Aisladores
0,116 0,116 0
Fuente propia (Cordero 2009)
Estos valores son calculados después de una serie de iteraciones para obtener la
temperatura superficial del conductor. Donde se puede observar no hubo diferencia
absoluta para los valores obtenidos correspondientes a la carga del peso propio y la
flecha de la cadena de aisladores; mientras si se encontró errores muy pequeños en
los valores asociados a las cargas de los efectos de cortocircuito, sismo, hielo, efecto
del viento y carga total sobre el conductor.
Para determinar el porcentaje de desviación máxima en el modulo flecha máxima
se utilizó la ecuación 4., en la cual se tomó como valor exacto la cantidad emitida por el
DERECHOS RESERVADOS
- 134 -
programa, y como valor aproximado para la carga por Hielo y Efecto del Viento el
obtenido mediante el procedimiento manual:
Dado que este porcentaje de desviación máximo fue , es un valor
insignificante, quedo constada la validez y exactitud de los resultados emitidos por la
herramienta computacional desarrollada, con lo cual queda garantizado el adecuado
diseño de barras flexibles asistido con este software.
DERECHOS RESERVADOS
- 135 -
CONCLUSIONES
Una vez cubiertos todos los objetivos planteados en la presente investigación se
pueden emitir las siguientes conclusiones:
El Diseño de Barras Flexibles involucra una alta cantidad de cálculos extensivos y
tediosos, pues se debe tener un alto conocimiento en las constantes así como
valores técnicos que son suministrados por fabricantes de conductores eléctricos
como también de sus respectivos aisladores; para cumplir ciertos parámetros
establecido en la normativa vigente, y por ello, es usual repetir esos cálculos
hasta lograr satisfacer los criterios preestablecidos, con lo cual es necesario
invertir gran cantidad de tiempo en este procedimiento cuando se ejecuta
manualmente dentro del marco de diseño de una subestación, por tal motivo los
resultados pueden ser susceptibles a errores humanos y por tanto amerita de la
asistencia computacional.
La definición de los requerimientos del software fue fundamental para el
desarrollo del mismo, pues permitió identificar los parámetros y condiciones a
considerar en el diseño de una barra flexible, según las necesidades del usuario
en cumplimiento en lo establecido con la normativa, en particular el tipo de
material de la barra flexible a diseñar, las respectivas características técnicas del
conductor trenzado, el calibre del conductor, la influencia del efecto corona, la
temperatura superficial del conductor la tensión mecánica máxima horizontal y
flecha máxima.
La plataforma seleccionada para el desarrollo del software “Diseño de Barras
Flexibles 2009” fue el entorno de programación Microsoft Visual C# 2008, debido
a las ventajas que ofrece para la implementación modular de los algoritmos
matemáticos exigidos en este procedimiento y además de la facilidad para la
elaboración de las pantallas, barras de herramientas, viñetas y los iconos del
DERECHOS RESERVADOS
- 136 -
programa, así como también por la amigabilidad que ofrece a los usuarios que
usualmente adaptados a plataformas que funciona bajo Windows.
El software elaborado en esta investigación “Diseño de Barra flexible 2009”,
cumple totalmente con los requerimientos impuestos para cumplir con los
procedimientos y parámetros establecidos por la norma vigente, requiere
componentes de hardware y software de uso común en aplicaciones de
ingeniería, y está diseñado para ser utilizado por usuarios con conocimientos en
diseño de subestaciones eléctricas y análisis de sistema de potencia, los cuales
son estudiantes de ingeniería eléctrica o profesionales en esta área; de allí que
tendrá gran aplicación para asistir el diseño de barras flexibles tanto para
profesionales como para cursos didácticos.
La herramienta computacional “Diseño de Barra Flexible 2009”, minimiza los
errores humanos pues no permite el ingreso de datos incorrectos particularmente
para aquellos casos donde se necesitan datos numéricos y el usuario introduzca
datos alfanuméricos, temperatura ambiente superiores a 90 grados, niveles de
tensión eléctricas no estandarizados, por citar algunos; en estas situaciones el
software emite una pantalla indicando la naturaleza del error.
El proceso de comprobación de resultados arrojados por el programa en
comparación con los obtenidos manualmente, permitió constatar la validez de los
resultados por la herramienta computacional ya que el error máximo obtenido fue
6.24 x10-3%.
DERECHOS RESERVADOS
- 137 -
RECOMENDACIONES
Como complemento a las conclusiones emitidas se plantea las siguientes
recomendaciones para implementar una mejora del Diseño de Barras Flexibles:
Utilizar la herramienta computacional “Diseño de barras flexibles 2009” como
apoyo didáctico en el dictado de cursos de diseño de subestaciones eléctricas
para facilitar la enseñanza-aprendizaje del complicado proceso de cálculo
involucrado en el diseño de barras flexibles.
Difundir en el campo de los profesionales de ingeniería eléctrica las ventajas
que ofrece la herramienta computacional “Diseño de barras flexibles 2009”, para
asistir el proceso de diseño de este tipo de barra, con lo cual se podrían generar
beneficios económicos tanto para la URU como para el investigador.
Ampliar la base de datos incluyendo otros tipos de conductores comerciales de
uso común en barras flexibles para lo cual es necesario considerar catálogos con
características técnicas suministradas por fabricantes reconocidos nacionales e
internacionales.
Continuar en tesis posteriores el desarrollo de nuevos módulos para aumentar
el alcance del software para desarrollar otro software de barras rígidas,
selecciones de cadenas de aisladores, selección de sistemas de apantallamiento,
entre otros a fin de lograr al fin de reducir el tiempo empleado en el diseño de una
subestación eléctrica.
DERECHOS RESERVADOS
- 138 -
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INVESTIGACIÓN. CÓMO HACER UN DISEÑO DE INVESTIGACIÓN”. Mc Graw-
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SUBESTACIONES DE ALTA Y MEDIANA TENSIÓN CON AYUDA DEL
DERECHOS RESERVADOS
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Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Eléctrica
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http://books.google.co.ve/books?id=004QQ8n1D3oC&pg=PA373&lpg=PA373&dq=
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http://www.microsoft.com/express/vcsharp/#webInstall
DERECHOS RESERVADOS
- 140 -
DERECHOS RESERVADOS
- 141 -
DERECHOS RESERVADOS
- 142 -
APENDICE A
Ejemplo de cálculo realizado por el autor Haper (2002), en su libro Elementos de
Diseño de Subestaciones Eléctricas para determinar la flecha de la cadena de
aisladores con los siguientes datos
Se requiere calcular la carga total para el conductor de un bus con conductores
flexibles con los datos siguientes:
Longitud del vano: 60.96 metros
Tensión nominal: 161 KV
NBI: 750 KV
Calibre del conductor: 795 KCMIL, 26/7 ACSR
Diámetro del conductor: 2.81 cm.
Peso del conductor: 15.97 N/m
Tipo de atmosfera: Pesada
DERECHOS RESERVADOS
- 143 -
Debido al nivel de tensión utilizado se debe buscar el número de aisladores en la
siguiente tabla.
DERECHOS RESERVADOS
- 144 -
DERECHOS RESERVADOS
- 145 -
DERECHOS RESERVADOS
- 146 -
Apéndice B
Temperatura superficial de conductores flexibles
Calentamiento por Efecto Joule
Datos:
m W/ 20)], - (T α[1 R I kP avcd2
jj
DERECHOS RESERVADOS
- 147 -
Calentamiento Solar:
Datos:
W/mD, S P s s
Enfriamiento por Convección:
Datos:
Para determinar los valores de fλ y UN se deben emplear las siguientes relaciones:
m W / ,Nu TTλ πP asf e
m W / , T 107.2x 102.42x λ f5-5
f
C , TT 0.5 T asf
Siendo f T la temperatura de capa.
R BNU ηe190δ
DERECHOS RESERVADOS
- 148 -
Entonces:
DERECHOS RESERVADOS
- 149 -
Corrección Nussel:
Angulo de Incidencia:
.
Enfriamiento por Radiación:
Datos:
DERECHOS RESERVADOS
- 150 -
Aumento de temperatura en conductores (flexibles en aire) y densidad de
corriente en corto circuito.
Sthr=
Datos:
DERECHOS RESERVADOS
- 151 -
Para cualquier tiempo de cortocircuito
DERECHOS RESERVADOS
- 152 -
DERECHOS RESERVADOS
- 153 -
Apéndice C
Después de determinar la temperatura superficial del conductor, se pasa a
comprobar que no haya efecto corona para el diseño, por lo tanto necesitamos los
siguientes cálculos :
Campo Eléctrico Disruptivo
Datos:
Coeficiente de limpieza
Coeficiente superficial
DERECHOS RESERVADOS
- 154 -
Coeficiente de Maxwell
Datos:
Flecha del vano (yc), m
Del apéndice B se toda Yi =0.116m
DERECHOS RESERVADOS
- 155 -
m914952.5 0.116 3
2 -6mm , Y
3
2 -h h iav
Utilizando el teorema de Pitágoras
DERECHOS RESERVADOS
- 156 -
Elementos de la Matriz
DERECHOS RESERVADOS
- 157 -
MATRIZ Coeficiente de Maxwell
Realizando el cálculo de la Matriz Inversa
DERECHOS RESERVADOS
- 158 -
Tensión Fase a tierra
Tensión Trifásica
Capacitancias
DERECHOS RESERVADOS
- 159 -
Carga máxima
Gradiente Superficial Promedio
Gradiente Disruptivo máximo monofásico
Gradiente Disruptivo máximo Trifásico
DERECHOS RESERVADOS
- 160 -
Comprobar Efecto Corona
Si presenta efecto corona
No presenta Efecto corona
Tensión Crítica
DERECHOS RESERVADOS
- 161 -
Tensión Critica disruptiva Fase a tierra de lo cual se debe cumplir
Si se cumple.
Como se puede observar cumple con las normas de diseño el cálculo
realizado manualmente, se aprecia que a alto nivel de tensión se presenta el efecto
corona con los datos mencionados en los anexo Apéndice A.
DERECHOS RESERVADOS
- 162 -
DERECHOS RESERVADOS
- 163 -
Apéndice D
Carga de peso propio
Datos:
Carga debido a los efectos de cortocircuito
Datos:
Determinar Factor m con la figura2.15 explicada en el marco teórico de esta
investigación
DERECHOS RESERVADOS
- 164 -
Carga debido al viento sobre conductor y cadena de aisladores
Datos:
Debido a la categoría de explosión del terreno que es C
Debido que z es menor que 10m
Zg=1m
DERECHOS RESERVADOS
- 165 -
Carga de Sismo
Carga mínima del Hielo y efecto del viento
Datos:
Densidad del Hielo
Espesor del Hielo
Carta Total Actuante
DERECHOS RESERVADOS
- 166 -
DERECHOS RESERVADOS
- 167 -
DERECHOS RESERVADOS
- 168 -
TABLA 1 - CARACTERÍSTICAS CONDUCTORES ACSR - CONDUCTORES DE VARIAS
CAPAS
Código
Kcm
SECCIÓN Composición hilos x DIAMETRO CONDUCTOR
[mm]
Masa Carga de ruptura Corriente asignada
total [mm2] diámetro del hilo [mm] [kg/m] [kN] [A]
Aluminio Acero
Joree 2515 1344 76 x 4,620 19 x 2,156 47.752 4.096 274.44 1380
Thrasjer 2312 1235 76 x 4,430 19 x 2,068 45.771 3.764 254.87 1380
Kiwi 2167 1 146 72 x 4,407 7 x 2,939 44.069 3.431 221.51 1340
Bluebird 2156 1 181 84 x 4,069 19 x 2,441 44.755 3.741 268.21 1 340
Chukar 1 781 976 84 x 3,698 19 x 2,220 40.691 3.09 226.85 1 300
Falcon 1 590 908 54 x 4,359 19x2,616 39.243 3.09 242.42 1 300
Lapwing 1590 862 45 x 4,521 7x3,183 38.202 2.67 187.71 1250
Parrot 1 510 862 54 x 4,247 19 x 2,548 38.227 2.894 229.96 1250
Nuthatch 1 510 818 145 x 4,653 7 x 3,101 37.211 2.536 178.36 1200
Plover 1 431 817 54 x 4,135 19 x 2,482 37.211 2.742 218.4 1200
Bobolink 1431 775 45 x 4,529 7 x 3,020 36.246 2.403 170.36 1 160
Martin 1351 772 54x4,018 19x2,410 36.17 2.588 205.94 1 160
Dipper 1 351 732 45 x 4,402 7 x 2,934 35.204 2.268 161.02 1 110
Pheasant 1 272 726 54 x 3,899 19 x 2,339 35.103 2.436 193.93 1 110
Bittern 1272 689 45 x 4,270 7 x 2,847 34.163 2.137 151.68 1 060
Grackle 1 192 681 54 x 3,774 19 x 2,266 33.985 2.284 186.37 1 010
Bunting 1 193 646 45x4,135 7x2,756 33.071 2.003 142.34 1 010
Finch 1 114 636 54x 3,647 19x 2,189 32.842 2.132 173.92 1 010
Bluejay 1 113 603 45 x 3,995 7 x 2,664 31.953 1.87 132.55 970
Curlew 1 033 591 54 x 3,513. 7 x 3,513 31.623 1.983 162.8 970
Ortolan 1 033 560 45 x 3,848 7 x 2,565 30.785 1.736 123.21 970
Merganser 954 596 30 x 4,534 7 x 4,529 31.699 2.225 204.61 950
Cardinal 954 546 54 x 3,376 7 x 3,376 30.378 1.831 150.34 950
Rail 954 517 45 x 3,698 7 x 2,466 29.591 1.602 115.2 910
Baldpate 900 562 30 x 4,399 7 x 4,399 30.785 2.101 192.6 910
Canary 900 515 54 x 3,279 7 x 3,279 29.515 1.727 141.89 900 Ruddy 900 487 45 x 3,592 7 x 2,395 28.727 1.512 112.98 900
Crane 875 501 54 x 3,233 7 x 3,233 29.108 1.678 139.67 900
Willet 874 474 45 x 3,541 7 x 2,360 28.321 1.471 111.2 900
Skimmer 795 497 30 x 4,135 7 x 4,135 28.956 1.857 170.36 900
Mallard 795 495 30 x 4,135 19 x 2,482 28.956 1.84 170.8 900 Drake 795 469 26 x 4,442 7 x 3,454 28.143 1.63 140.11 840
Condor 795 455 54 x 3,081 7 x 3,081 27.737 1.526 125.43 840
DERECHOS RESERVADOS
- 169 -
TABLA 1- CARACTERÍSTICAS CONDUCTORES ACSR - CONDUCTORES DE
VARIAS CAPAS (Continuacion)
Código
Kcm
SECCIÓN Composición hilos x DIAMETRO CONDUCTOR
[mm]
Masa Carga de ruptura Corriente asignada
total [mm2] diámetro del hilo [mm] [kg/m] [kN] [A]
Aluminio Acero
Cuckoo 795 455 24 x 4,623 7 x 3,081 27.737 1.526 124.1 840
Tern 795 431 45 x 3,376 7 x 2,250 27.737 1.335 98.3 830
Coot 795 414 36 x 3,774 1 x 3,774 26.416 1.199 73.39 840
Suteo 715 447 30 x 3,922 7 x 3,922 27.457 1.667 153.01 840
Redwing 715 445 30 x 3,922 19 x 2,352 27.457 1.655 153.9 800
Starling 716 422 26 x 4,214 7 x 3,277 26.695 1.468 126.32 800
Crow 715 409 54 x 2,924 7 x 2,924 26.314 1.372 116.98 800
Stitt 716 410 24 x 4,387 7 x 2,924 26.314 1.374 113.42 800
Grebe 716 388 45 x 3,203 7 x 2,136 25.629 1.202 91.63 780
Gannet 666 393 26 x 4,067 7 x 3,162 25.756 1.366 118.32 780
Gull 667 382 54 x 2,822 7 x 2,822 25.4 1.278 108.98 770
Flamingo 667 382 24 x 4,234 7 x 2,822 25.4 1.28 105.42 770
Scoter 636 397 30 x 3,698 7 x 3,698 25.883 1.48 137 993
Egret 636 396 30 x 3,698 19 x 2,220 25.883 1.472 140.11 770
Grosbeak 636 375 26 x 3,973 7 x 3,089 25.146 1.304 112.09 760
Groose 636 364 54 x 2,756 7 x 2,756 24.816 1.22 104.97 760
Rook 636 364 24 x 4,135 7 x 2,756 24.816 1.22 97.86 760
Kingbird 636 340 18 x 4,775 1 x 4,775 23.876 1.03 69.83 760
Swift 636 331 36 x 3,376 1 x 3,376 23.622 0.96 59.6 760
Wood duck 605 378 30 x 3,607 7 x 3,607 25.248 1.411 130.77 750
Teal 605 376 30 x 3,607 19x2,164 25.248 1.401 133.44 750
Squab 605 356 26 x 3,873 7 x 3,012 24.536 1.241 104.97 750
Peacock 605 346 24 x 4,034 7 x 2,690 24.206 1.162 96.08 750
Duck 606 347 54 x 2,690 7 x 2,690 24.206 1.161 100.08 750
Eagle 557 348 30 x 3,459 7 x 3,459 24.206 1.299 120.99 730
Dove 556 328 26 x 3,716 7 x 2,891 23.546 1.141 99.64 730 Parakeet 557 319 24 x 3,868 7 x 2,578 23.216 1.068 88.07 730
Osprey 556 298 18x 4,465 1 x 4,465 22.327 0.9 60.94 730
Hen 477 298 30 x 3,203 7 x 3,203 22.428 0.219 105.86 670
Hawk 477 281 26 x 3,439 7 x 2,675 21.793 0.979 86.74 670
Flicker 477 273 24 x 3,581 7 x 2,388 21.488 0.916 76.51 670
Pelican 477 255 18 x 4,135, 1 x 4,135 20.676 0.772 52.49 670
Lark 397 248 30 x 2,924 7 x 2,924 20.472 0.928 90.29 600
DERECHOS RESERVADOS
- 170 -
TABLA 1- CARACTERÍSTICAS CONDUCTORES ACSR - CONDUCTORES DE VARIAS
CAPAS(Continuación)
Código
Kcm
SECCIÓN Composición hilos x DIAMETRO CONDUCTOR
[mm]
Masa Carga de ruptura Corriente asignada
total [mm2] diámetro del hilo [mm] [kg/m] [kN] [A]
Aluminio Acero
Ibis 397 234 26 x 3,139 7 x 2,441 19.888 0.815 72.5 590
Brant 398 228 24 x 3,269 7 x 2,179 19.609 0.763 65.39 590
Chickadee 397 213 118 x 3,774 1 x 3,774 18.872 0.644 44.04 590
Oriole 336 210 30 x 2,690 7 x 2,690 18.821 0.785 75.62 530
Linnet 336 198 26 x 2,888 7 x 2,245 18.288 0.69 62.27 530
Widgeon 336 193 24 x 3,007 7 x 2,232 18.034 0.645 55.6 530
Merlin 336 180 18 x 3,472 1 x 3,472 17.374 0.545 38.25 530
Piper 300 187 30 x 2,540 7 x 2,540 17.78 0.7 68.94 530
Ostrich 300 177 26x2,728 7x2,121 17.272 0.615 56.49 490
Gadwall 300 172 24 x 2,840 7 x 1,892 17.043 0.575 49.82 490
Phoebe 300 160 18 x 3,254 1 x 3,279 16.408 0.486 34.25 490
Junco 267 167 30 x 2,395 7 x 2,395 16.764 0.623 60.94 460
Partridge 267 157 26 x 2,573 7 x 2,002 16.307 0.547 50.26 460
Waxwing 267 143 18x 3,091 1 x 3,091 15.469 0.431 30.69 460
DERECHOS RESERVADOS
- 171 -
TABLA 2 - CARACTERISTÍCAS CONDUCTORES ACSR –CONDUCTO DE UNA CAPA
Kcm
SECCIÓN Composición hilos x
DIAMETRO CONDUCTOR
[mm]
MasaCarga de ruptura
Corriente asignada
Código total
[mm2] diámetro del hilo
[mm] [kg/m] [kN] [A]
Aluminio Acero
Penguin 211,6 I 125.1 6 x 4,770 1 x 4,770 14.3 0.434 37.36 340
Pigeon 167.
7 99.2 6 x 4,247 1 x 4,247 12.751 0.344 29.36 300
Quail 133 78.6 6 x 3,782 1 x 3,782 11.354 0.273 23.57 270
Raven 105.
7 62.5 6 x 3,371 1 x 3,371 10.109 0.216 19.57 230
Robin 83.7 49.5 6 x 3,000 1 x 3,000 8.992 0.171 16.01 200
Sparate 66.4 42.2 7 x 2,474 1 x 3,299 8.255 0.159 16.01 180
Sparrow 66.4 39.3 6 x 2,672 1 x 2,672 8.026 0.136 12.45 180
Swanate 41.7 26.5 7x1,961 1 x 2,614 6.528 0.1 10.68 140
Swan 41.7 24.7 6 x 2,118 1 x 2,118 6.35 0.085 8.45 140
Turkey 26.2 15.5 6 x 1,679 1 x 1,679 5.029 0.054 5.34 100
DERECHOS RESERVADOS
- 172 -
TABLA 3- CARACTERISTÍCAS CONDUCTORES ACSR –CONDUCTO DE UNA SOLA CAPA
Código
Kcm
SECCIÓN total
[mm2]
Composición hilos x
diámetro del hilo [mm]
DIAMETRO CONDUCTOR
[mm]
Masa [kg/m
]
Carga de ruptura
[kN]
Aluminio Acero Brahma 203,2 194,9 16 x 2,863 19 x 2,482 18,136 1,009 92,07
Cochin 211,3 169,5 12 x 3,371 7 x 3,371 16,866 0,787 126,32
Dorking 190,8 153,1 12 x 3,203 7 x 3,203 16,027 0,709 83,18
Dotterel
176,9
I 141,9 12 x 3,084 7 x 3,084 15,418 0,657 76,95
Guinea 159,0 127,5 12 x 2,924 7 x 2,924 14,630 0,592 71,17
Leghor 134,6 108,0 12x 2,690 7 x 2,690 13,437 0,501 60,49
Minorca 110,8 88,9 12 x 2,441 7 x 2,441 12,192 0,413 49,82
Petrel 101,8 81,7 12 x 2,339 7 x 2,339 11,709 0,378 46,26
Grouse 80,0 54,7 8 x 2,540 1 x 4,242 9,322 0,222 23,13
DERECHOS RESERVADOS
- 173 -
DERECHOS RESERVADOS
- 174 -
INICIO
Pantalla Principal
CALCULARINTRODUCIR DATOS
EFECTO CORONA
FLECHA MÁXIMA
TENSIÓN MECÁNICA
FUNCIONAMIENTO
CARACTERÍSTICAS DE LA BARRA
CONDICIONES AMBIENTALES
DATOS AMBIENTALES
ITERAR CON TEMP.
SUPERFICIAL
MOSTRAR TABLA 1
MOSTRAR TABLA 2
IMPRIMIR
SALIR
DIAGRAMA DE FLUJO DATOS GENERALES DEL PROGRAMA
DERECHOS RESERVADOS
175
TEMPERATURA SUPERFICIALFICIAL = - 40 °C
MOSTRAR PANTALLA DE ERROR: LA TEMPERATURA SUPERFICIAL ES MUY ALTA
CÁLCULAR EFECTO CORONA
ALMACENAR RESULTADOS EN DATOS
GUARDAR TEMPERATURA SUPERFICIAL EN DATOS TEMP. SUPERFICIAL + 0,1
CALCULAR EFECTO CORONA
SI
NO
SI
NO
DIAGRAMA DE FLUJO MODULO CALCULAR
INICIO
DERECHOS RESERVADOS
176
CALCULAR EFECTO CORONA
DIAGRAMA DE FLUJO MODULO CALCULAR (CONTINUACION)
MOSTRAR PANTALLA DE ERROR: LA TEMPERATURA SUPERFICIAL ES MUY ALTA
CALCULAR FLECHA MÁXIMA
CALCULAR TENSIÓN MECÁNICA
GUARDAR RESULTADOS EN DATOS
MOSTRAR TABLA DE RESULTADOS 1
MOSTRAR TABLA DE RESULTADOS 2
SALIR
DERECHOS RESERVADOS
177
DIAGRAMA DE FLUJO MODULO DE CORRIENTE
CORRIENTE
AUMENTAR CALIBRE DEL CONDUCTOR
SE PUEDE DISEÑAR
SI NO
DERECHOS RESERVADOS
178
NO SI
DIAGRAMA DE FLUJO EFECTO CORONA
EFECTO CORONA
SI NO
DERECHOS RESERVADOS
179
DIAGRAMA DE FLUJO EFECTO CORONA(CONTINUACION)
NO
SI
SI NO
SI NO
DERECHOS RESERVADOS
180
DIAGRAMA DE FLUJO EFECTO CORONA (CONTINUACION)
SI NO
SI SE PUEDE DISEÑAR POR EFECTO CORONA
NO SE PUEDE DISEÑAR POR EFECTO CORONA
SI NO
NO SE PUEDE DISEÑAR POR EFECTO CORONA
SI SE PUEDE DISEÑAR POR EFECTO CORONA
DERECHOS RESERVADOS
181
DIAGRAMA DE FLUJO TENSIÓN MÁXIMA HORIZONTAL
Tensión Máx. Ho.
DERECHOS RESERVADOS
182
DERECHOS RESERVADOS
183
Pantallas de datos ingresadas por el usuario para comprobar el valor de la
cadena de aisladores del ejemplo del apéndice A.
DERECHOS RESERVADOS
184
Valor obtenido después de correr el programa.
En lo cual podemos observar que el valor de la cadena de aisladores es el mismo
que el calculado manualmente en el apéndice B donde podemos ver el error obtenido
es del 0 %.
DERECHOS RESERVADOS
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