subestacion electrica

Campus de la innovación y la tecnología regional Tolima

Grupo: M.E.I.

SUBESTACION ELECTRICA

SISTEMA DE ALIMENTACION Y DISTRIBUCION

¿Que es una subestacion electrica?

Clasificacion de subestaciones electricas.

•Operación•Composición•Función que desempeña

•Operación

Composición

Blindado

Exterior

Interior

Funcion que desempeña

•Elevadores de tension•Reductores de tension•De enlace para interconectar lineas•Rectificadores (AC-DC)

Esquema de red eléctrica

Clasificación de las Subestaciones de distribuciónAérea o tipo poste

• Para zonas rurales y urbanas

•Para usuarios residenciales o industriales.

•La alimentación Aérea o Subterránea.

Patio y piso•La subestacion tipo piso se utiliza en zonas urbanas para usuarios industriales, residenciales, comerciales y alumbrado publico.

•Presentan variantes que determinan su diferencia con la de patio.

•Tipo patio son emplazadas a la intemperie.

•En algunas industrias.

•Alimentadas por redes subterraneas a 34,5KV .

Sub estación pedestal o pad mounted (tipo jardín)

•Para interperie o interiores.

•Seguridad al paso de personas en zonas como parques o avenidas.

•Dos gabinetes, uno aloja el transformador con sus protecciones y el segundo la caja de maniobras.

Subestacion tipo capsuladas• En recinto cerrado en el cual se encuentran alojadas varias celdas las cuales albergan en su interior el transformador el medidor las protecciones etc.

•Son empleadas en industrias o urbanizaciones de estrato 4,5 y 6.

SUBESTACIONES AISLADAS EN GAS, ENCAPSULADAS GIS

•El Hexafloruro de Azufre o SF6 es un gas artificial utilizado ampliamente en los equipos eléctricos de alta tensión. •Es incoloro, inodoro, no combustible y químicamente muy estable se utiliza como aislamiento eléctrico de sus distintos componentes -maniobra,medición, barras, etc.

SUBESTACION SUBTERRANEA

•Instalación bajo el nivel del piso en andenes o zonas verdes.•Comformados por 2 bovedas•Seccionador tipo inundable con codos pre-moldeables, sin partes vivas expuestas de operación bajo carga de 200A

•Transformador sumergible y con capacidad de estar como minino 3 horas en agua.

•La bóveda del transformador debe tener un fácil acceso a sus componentes sin tener que ingresar ala misma.

COMPONENTES Y EQUIPOS QUE CONFORMAN UNA SUBESTACIÓN ELECTRICA

•Interruptor automáticos-Seccionadores•Conmutadores de puesta a tierra•Transformadores de corriente•Transformadores de potencial o transformadores de voltaje capacitor•Capacitores de acoplamiento•Filtros de línea•Apartarrayos y/o espinterometros•Transformadores de potencia•Reactores de derivación•1Reactores limitadores de corriente•Barras y aisladores de estación•Sistemas de puesta a tierra•Capacitores en serie•Capacitores en derivación

Subestación Sena campus de la industria y la innovación.

Funcionamiento basico de transfomador electrico

Factor de Potencia

Factor de potencia

El factor de potencia se define como el cociente de la relación de la potencia activa entre la potencia aparente; esto es:

Comúnmente, el factor de potencia es un término utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo.

SP

FP

Factor de potencia

El valor ideal del factor de potencia es 1, esto indica que toda la energía consumida por los aparatos ha sido transformada en trabajo.

Por el contrario, un factor de potencia menor a la unidad significa un mayor consumo de energía necesaria para producir un trabajo útil.

Tipos de potencia

La potencia efectiva o real es la que en el proceso de transformación de la energía eléctrica se aprovecha como trabajo.

Unidades: Watts (W)

Símbolo: P

La potencia reactiva es la encargada de generar el campo magnético que requieren para su funcionamiento los equipos inductivos como los motores y transformadores.

Unidades: VAR

Símbolo: Q

Tipos de potencia

La potencia aparente es la suma geométrica de las potencias efectiva y reactiva; es decir:

Unidades: VA

Símbolo: S

22 QPS +=

Tipos de potencia

El triángulo de potencias

Potencia activa P

Potencia reactiva Q

Potencia aparente S

El triángulo de potencias

De la figura se observa:

Por lo tanto,

CosSP

CosFP

P

SQ

El ángulo

• En electrotecnia, el ángulo nos indica si las señales de voltaje y corriente se encuentran en fase.

• Dependiendo del tipo de carga, el factor de potencia

puede ser:

• adelantado • retrasado • igual a 1.

)( CosFP

Tipos de cargas

• En las cargas resistivas como las lámparas incandescentes, el voltaje y la corriente están en fase.

• Por lo tanto,

• En este caso, se tiene un factor de

potencia unitario.

0

Tipos de cargas

• En las cargas inductivas como los motores y transformadores, la corriente se encuentra retrasada respecto al voltaje.

• Por lo tanto, • En este caso se tiene un factor de potencia

retrasado.

0

Tipos de cargas

• En las cargas capacitivas como los capacitores, la corriente se encuentra adelantada respecto al voltaje.

• Por lo tanto, • En este caso se tiene un factor de

potencia adelantado.

0

Diagramas fasoriales del voltaje y la corriente

Según el tipo de carga, se tienen los siguientes diagramas:

V

I V

I

V

I

CargaResistiva

CargaInductiva

CargaCapacitiva

El bajo factor de potencia

Causas: • Para producir un trabajo, las cargas

eléctricas requieren de un cierto consumo de energía.

• Cuando este consumo es en su mayoría energía reactiva, el valor del ángulo se incrementa y disminuye el factor de potencia.

El bajo factor de potencia

FP=Cos0 130 0.86660 0.590 0

2

3

1

Factor de potencia VS ángulo

V

I

Problemas por bajo factor

de potenciaProblemas técnicos:

• Mayor consumo de corriente.• Aumento de las pérdidas en

conductores.• Sobrecarga de transformadores,

generadores y líneas de distribución.• Incremento de las caídas de voltaje.


de potencia

Pérdidas en un conductor VS factor de potencia

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4FP

kW

9

6

3

0


de potenciaProblemas económicos:• Incremento de la facturación eléctrica por

mayor consumo de corriente.• Penalización de hasta un 120 % del costo

de la facturación.

E.E.

Compensación del factor

de potencia

Corrientetotal

Corrienteactiva

Corrientereactiva

Corrientetotal

Corrienteactiva

Capacitores

Corrientereactiva

Motor de inducciónsin compensación

Motor de induccióncon capacitores de compensación

Beneficios por corregir el factor

de potenciaBeneficios en los equipos:

• Disminución de las pérdidas en conductores.

• Reducción de las caídas de tensión.• Aumento de la disponibilidad de

potencia de transformadores, líneas y generadores.

• Incremento de la vida útil de las instalaciones.


de potencia Beneficios económicos:

• Reducción de los costos por facturación eléctrica.

• Eliminación del cargo por bajo factor de potencia.

• Bonificación de hasta un 2.5 % de la facturación cuando se tenga factor de potencia mayor a 0.9

SIN CORREGIR EL FP

CORRIGIENDO EL FP


de potencia


de potencia• Las cargas inductivas requieren potencia

reactiva para su funcionamiento.

• Esta demanda de reactivos se puede reducir e incluso anular si se colocan capacitores en paralelo con la carga.

• Cuando se reduce la potencia reactiva, se mejora el factor de potencia.


de potencia

2

1LQ

Q

CQ

P

1S

2S


de potenciaEn la figura anterior se tiene:

• es la demanda de reactivos de un motor y la potencia aparente correspondiente.

• es el suministro de reactivos del capacitor de compensación

• La compensación de reactivos no afecta el consumo de potencia activa, por lo que es constante.

LQ

CQ

1S

P

• Como efecto del empleo de los capacitores, el

valor del ángulo se reduce a

• La potencia aparente también disminuye, tomando el valor de

• Al disminuir el valor del ángulo se incrementa el factor de potencia.

21

1S

2S


de potencia

Métodos de compensación

Son tres los tipos de compensación en paralelo

más empleados:

• a) Compensación individual

• b) Compensación en grupo

• c) Compensación central

Compensación individual

Aplicaciones y ventajas Los capacitores son instalados por cada

carga inductiva. El arrancador para el motor sirve como un

interruptor para el capacitor. El uso de un arrancador proporciona control

semiautomático para los capacitores. Los capacitores son puestos en servicio sólo

cuando el motor está trabajando.


Desventajas El costo de varios capacitores por

separado es mayor que el de un capacitor individual de valor equivalente.

Existe subutilización para aquellos capacitores que no son usados con frecuencia.


Diagrama de conexión

arrancador

M

C

Compensación en grupo

Aplicaciones y ventajas Se utiliza cuando se tiene un grupo de

cargas inductivas de igual potencia y que operan simultáneamente.

La compensación se hace por medio de un banco de capacitores en común.

Los bancos de capacitores pueden ser instalados en el centro de control de motores.


Desventajas

La sobrecarga no se reduce en las líneas de alimentación principales



arrancador

M

arrancador

M

C

Compensación central

Características y ventajas

Es la solución más general para corregir el factor de potencia.

El banco de capacitores se conecta en la acometida de la instalación.

Es de fácil supervisión.


Desventajas Se requiere de un regulador automático

del banco para compensar según las necesidades de cada momento.

La sobrecarga no se reduce en la fuente principal ni en las líneas de distribución.



C

Cálculo de los kVARs del capacitor

De la figura siguiente se tiene:

Como:

Por facilidad,

QQQ Lc

TanPQ *

)( 21 TanTanPQc

KPQc *

2

1LQ

Q

CQ

P

1S

2S

Cálculo de los kVARs del capacitor : Coeficiente K

FP d e s e a d oFP actual 0.8 0.85 0.9 0.95 1

0.3 2.43 2.56 2.695 2.851 3.180.4 1.541 1.672 1.807 1.963 2.2910.5 0.982 1.112 1.248 1.403 1.7320.6 0.583 0.714 0.849 1.005 1.3330.7 0.27 0.4 0.536 0.692 1.020.8 0.13 0.266 0.421 0.750.9 0.156 0.484

Ejemplo

• Se tiene un motor trifásico de 20 kW operando a 440 V, con un factor de potencia de 0.7, si la energía se entrega a través de un alimentador con una resistencia total de 0.166 Ohms calcular:

• a) La potencia aparente y el consumo de corriente

• b) Las pérdidas en el cable alimentador• c) La potencia en kVAR del capacitor que es

necesario para corregir el F.P. a 0.9• d) Repetir los incisos a) y b) para el nuevo factor

de potencia• e) La energía anual ahorrada en el alimentador

si el motor opera 600 h/mes

Solución

a) La corriente y la potencia aparente

b) Las pérdidas en el alimentador

AV

WI _49.37

7.0*440*3

000,201

kVAAVS

IVS

_571.2849.37*440*3

**3

1

WPerd

IRPerd

_70049.37*166.0*3

**32

1

2

FPV

P

CosV

PI

**3**3

Solución

c) Los kVAR del capacitor Nos referimos a la tabla del coeficiente “K” y se

escoge el valo rque está dado por el valor actual del FP y el valor deseado:

d.1) La corriente y la potencia aparente

kVARkWQ

KPQ

C

C

_72.10536.0*20

*

kVAAVS _22.2216.29*440*32

AV

WI _16.29

9.0*440*3

000,202

Solución

d.2) Las pérdidas en el alimentador

e) Energía anual ahorrada La reducción de las pérdidas:

La energía ahorrada al año:

Considerando a $ 0.122 por kWh, se tienen $ 242.88 de ahorro tan sólo en el alimentador

WPerd _45.42316.29*166.0*3 22

kWhmesesmeshW

E _8.19901000

12*/600*55.276 1000

_12*/* mesesmeshrsPE

WP _55.27645.423700 21 PerdPerdP

Ejemplo corrección factor de potencia

Potencia Reactiva (kVAR)requeridos para elevar el FP a:Mes

Demanda(kW)

Factor depotencia FP

0.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00Enero 315 0.8888 12 34 57 84 117 193Febrero 294 0.7894 103 123 145 170 201 272Marzo 293 0.8583 40 60 82 107 138 208Abril 298 0.9249 -26 -5 17 42 74 146Mayo 326 0.9321 -37 -15 10 38 72 151Junio 328 0.9218 -25 -2 22 50 85 164Julio 322 0.8898 11 33 57 85 119 197Agosto 329 0.9021 -2 21 45 73 108 187septiembre 326 0.8237 79 102 126 154 188 267Octubre 333 0.8893 12 35 60 88 123 204Noviembre 321 0.8930 8 30 54 81 115 193Diciembre 321 0.9044 -5 17 42 69 103 180

FP promedio = 0.8848Calcular porcentaje de bonificación con un FP deseado de 0.98

Potencia reactiva (kVAR)

Potencia reactiva:

Potencia aparente (kVA)

Potencia activa (kW)

Potencia reactiva (kVAR)

kW

kVARtg

tg*kWkVAR

CosFP FPCos 1

FPCoskWkVAR 1tg*

kW

kVAR1tg

Compensación del FPPotencia reactiva

requeridaPotencia reactiva requerida para elevar el FP1 a un FP2

21

11 costgcostg FPFPkWkVAR

Corrección de potencia reactiva debida al voltaje

V1 = Voltaje de líneaV2 = Voltaje de diseño banco de capacitores

2

1

2

V

VkVARkVAR totales

Ejemplo: Compensación del FP

Datos: Factor de potenciaDemanda(kW) Actual (FP1) Deseado (FP2)315 0.8888 0.9600

Potencia reactiva requerida

719600.0costg8888.0costg315 11 kVAR

Corrección de potencia reactiva debida al voltaje

84

480

440

712

totaleskVAR

V1 = 440 Volts (voltaje de línea)

V2 = 480 Volts (voltaje de diseño banco de capacitores)

Ejemplo: Compensación del FP

Calculo del porcentaje de penalización con un factor de potencia promedio anual de 0.8848

%2.1 100 0.9800

0.9 1

4

1 (%) ónBonificaci

1.110010.8848

0.9

5

3(%)ónPenalizaci

Calculo del porcentaje de bonificación por mejorar el FP a 0.98

Nota: Los cargos o bonificaciones económicas se determinan al multiplicar la suma de los cargos por demanda y consumo de energía, multiplicados por los porcentajes de penalización o bonificación, según sea el caso

Consideraciones del FP (1)

Cargos y bonificaciones máximas

FP = 0.30 Penalización máxima 120%

FP = 1.00 Bonificación máxima 2.5%

Compensación individual de transformadores

De acuerdo con las normas técnicas para instalaciones

eléctricas, la potencia reactiva (kVAR) de los capacitores,

no debe exceder al 10% de la potencia nominal del

transformador

Consideraciones del FP (2)

Compensación individual de motores

Generalmente no se aplica para motores menores a 10

KW

Rango del capacitor

▪ En base a tablas con valores normalizados, o bien,

▪ multiplicar los hp del motor por 1/3

▪ el 40% de la potencia en kW

Tabla 2. NEMA diseño B. Motores en baja tensión, par de arranque normal y corriente normal

Motor de inducción

potencia (hp)

Velocidad nominal en r.p.m. y número de polos

3,600 1,800 1,200 900 720 600

2 4 6 8 10 12

5 2 2 3 3 4 5

7 ½ 2 ½ 3 3 4 6 7 ½

10 3 3 4 5 6 10

15 5 5 5 7 ½ 7 ½ 10

20 6 6 7 ½ 7 ½ 10 15

25 7 ½ 6 7 ½ 10 10 20

30 7 ½ 7 ½ 10 10 15 20

40 7 ½ 10 15 15 15 25

50 10 15 20 20 20 30

60 10 15 25 20 25 35

75 15 20 25 25 30 40

100 20 25 30 30 35 45

125 25 30 30 40 40 50

150 25 30 35 45 50 60

200 35 40 50 60 70 80

250 40 50 60 70 80 100

300 45 60 70 80 90 110

350 50 70 80 100 100 125

400 70 70 80 110 125 150

450 75 80 100 120 125 150

450 90 90 120 125 140 175

Tabla 3. NEMA diseño C. Motores en baja tensión, alto par de arranque y corriente normal

Motor de inducción potencia (hP)

Velocidad nominal en r.p.m. y número de polos

1,800 1,200 900 720

4 6 8 10

5 2 2 ½ 4 ---

7 ½ 3 3 4 ---

10 3 4 5 ---

15 4 5 7 ½ ---

20 4 5 7 ½ ---

25 5 5 10 ---

30 5 7 ½ 10 20

40 10 10 15 ---

50 15 10 20 25

60 15 20 25 25

75 20 20 30 35

100 25 25 40 40

125 30 35 40 45

150 35 40 45 50

200 45 50 60 60

250 50 60 70 75

300 60 70 80 80

350 70 75 90 100

Compensación individual en transformadores de distribuciónOtro método para corregir el factor de potencia es compensar la potencia

reactiva en los transformadores de distribución. La potencia total del banco de capacitores se calcula para compensar la potencia reactiva absorbida por

el transformador en vacío, que es del orden del 5 al 10% de la potencia nominal.

De acuerdo con las normas técnicas para instalaciones eléctricas, con el fin de evitar fenómenos de resonancia y sobretensión en vacío, la potencia total del banco de capacitores no debe exceder el 10% de la potencia nominal (en

kVA) del transformador.Existen tablas con valores recomendados para la compensación individual de

la potencia inductiva en los transformadores de distribución, en donde a la potencia nominal de cada transformador se le ha asignado la correspondiente

potencia del capacitor requerido, el cual deberá instalarse en el secundario del transformador, veáse Tabla 4

Tabla 4. Valores de capacitores para compensación individual en transformadores

Potencia nominal del

transformadorPotencia reactiva del capacitor en kVAr

100 4

160 6

250 15

400 25

630 40

1000 60

1600 100

Bancos automáticos de capacitores (1)

Cuenta con un regulador de VARS que mantiene el FP prefijado, ya sea mediante la conexión o desconexión de capacitores conforme sea necesario

Pueden suministrar potencia reactiva de acuerdo a los siguientes requerimientos: constantes variables instantáneos

Se evitan sobrevoltajes en el sistema


Elementos de los bancos automáticos: Capacitores fijos en diferentes cantidades y potencias

reactivas (kVAR) Relevador de factor de potencia Contactores Fusibles limitadores de corriente Interruptor terno magnético general

Los bancos de capacitores pueden ser fabricados en cualquier No. De pasos hasta 27 (pasos estándar 5,7,11 y 15)

RELE VARIMETRICO

PARAMETROS:

FACTOR DE POTENCIA. CORRIENTE APARENTE. POTENCIA ACTIVA, REACTIVA Y APARENTE. ARMONICOS DE VOLTAJE Y CORRIENTE. TEMPERATURA. POTENCIA CAPACITIVA TOTAL PARA ALCANZAR EL FACTOR DE

POTENCIA SETEADO.

MONITORIZACION DE LOS NIVELES DE ARMONICOS

CUANDO SE TENGAN EN LA RED NIVELES DE ARMONICOS SUPERIORES A LOS SETEADOS, SE DESCONECTARAN AUTOMATICAMENTE TODOS LOS BANCOS DE CAPACITORES.

VENTAJAS DEL RELE VARIMETRICO

EVITA SOBRECOMPENSACIONES CUANDO SE TIENE POCA CARGA.

DESCONEXION DE TODOS LOS PASOS DE CAPACITORES CUANDO SE PRESENTAN SOBRECORRIENTES.

DESCONEXION AUTOMATICA DE LOS CAPACITORES CUANDO HAYA FALTA DE VOLTAJE Y/O FALTA DE CORRIENTE.

REGULACION EN LOS CUATRO CUADRANTES.

.


El valor de los capacitores fijos depende del No. De pasos previamente seleccionado, así como, de la cantidad necesaria en kVAR’s para compensar el FP a 1.0

A mayor No. de pasos, el ajuste es más fino, dado que cada paso del capacitor es más pequeño, permitiendo lograr un valor más cercano a 1.0, no obstante ocasiona un mayor costo

La conmutación de los contactores y sus capacitores individuales es controlada por un regulador (vármetro)

Esquema de un banco automático de capacitores

22

MantenimientoPreventivo

y Correctivo

CFP Premium

El estado de funcionamiento de un capacitor se verifica:

Midiendo capacidad y tangente delta, luego realizando prueba de tensión y finalmente nuevamente

capacidad y tangente delta.

En la instalación no se puede controlar todo esto, sólo se puede

tener una idea a través de la medición de corriente.

En caso de bancos con capacitores monofásicos reemplazar siempre los capacitores de las tres fases,

para asegurar la confiabilidad de la

reparación.

Si hay fusibles quemados verifique el estado del capacitor antes de

reponerlos.

Si un capacitor está desconectado por sobrepresión, siempre verifique

el estado del contactor antes de reponerlo.

Si hay signos de sobrecalentamiento sobre cualquier componente del banco verifique la eficacia de la ventilación forzada y verifique el

contenido armónico sobre los capacitores.

Verifique tensión, sobretensiones, el tiempo de descarga y número de

conexiones.

subestacion electrica

Documents