Aplicación De Disturbios De Tensión.docx

3. Aplicación de disturbios de tensión, diseño del alimentador y red de tierra en sitio: Honda Milenio. Luna Ayala Jairo De Jesús Calidad de la energía.

Introducción. Las sobretensiones transitorias, debidas a diferentes causas como conmutaciones de red o fenómenos de origen atmosférico (rayos) pueden producir efectos negativos en los equipos que están conectados a la red eléctrica, causando un mal funcionamiento con el consiguiente envejecimiento prematuro o incluso la destrucción completa en el caso de los equipos electrónicos que son los más sensibles a estas perturbaciones. Un factor también a tener muy en cuenta es la probabilidad de tormentas o caídas de rayos, que dependerá de la zona geográfica. Se le considera carga sensible a aquella que requiere de un suministro de alta calidad y libre de disturbios. El equipo electrónico es más susceptible a los disturbios que el equipo electromecánico tradicional. Una carga sensible requiere de un suministro de alta calidad (voltaje y frecuencia estable, ausencia de ruido, ausencia de distorsión). Como ejemplo de cargas sensibles, se encuentran los centros de cómputo, los servidores, las antenas y equipos electrónicos de control. Estos equipos requieren de un sistema de protección especial como lo puede ser un supresor de picos y armónicos, además de equipo capaz de ofrecer energía ante una interrupción en el servicio. Situación actual. La concesionaria Honda Milenio está ubicada en Blvd. Francisco Villa 4406, Fracc. 20 de noviembre, 32234 Durango Dgo. Las instalaciones además de estar dedicadas a la venta de automóviles, también se encargan de dar mantenimiento a vehículos y contar con servicio de atención al cliente, compra de accesorios y pagos. Por lo que se maneja un extenso número de equipo de cómputo y un servidor en una red de datos con información de dichos movimientos en un uso continuo. Cuenta con un transformador trifásico de 225 kVA, 13.8kV – 220 V / 127 V.

Censo de cargas. Planta baja Taller / Recepción de vehículos Cargas no sensibles 5 Motores 3F 5 HP 18,650 W 12 Contactos pol. 2,160 W 30 Lámparas LED 50 W 1,500 W Total 22,310 W

Servicio al cliente Cargas no sensibles 2 Impresoras 10 Contactos pol. 30 Lámparas LED 50 W 8 Bocinas de techo 6 Teléfonos 2 TV Total

Exhibición de vehículos Cargas no sensibles 40 Lámparas LED 50 W 16 Bocinas de techo 10 W 4 Teléfonos 2 Impresoras Total

Planta alta Oficinas Admin. Cargas no sensibles 14 Contactos pol. 20 Lámparas LED 50 W 4 Impresoras Total

700 W 1,800 W 1,500 W 80 W 480 W 360 W 4,920 W

2,000 W

Cargas sensibles

Cargas sensibles 10 PC

2,500 W

Cargas sensibles 12 PC

160 W 320 W 700 W 3,180 W

2,520 W 1,000 W 1,200 W 4,720 W

2,500 W

3,000 W

3,000 W

Cargas sensibles 6 PC

1,500 W

1.500 W

SITE Cargas no sensibles 6 Contactos pol. 4 Lámparas LED 50 W 1 Switch

1,080 W 200 W 370 W

Total

1,650 W

Cargas sensibles 3 Amplificadores 120 W 4 PC de uso continuo 3 Conmutadores 180 W 2 Sistema hibrido digital 1 Servidor Intel Xeon

360 W 1,600 W 540 W 1,040 W 390 W 3.930 W

Diagrama unifilar actual. 13.8 kV

225 kVA 13.8 kV-220/127 V

3 x 200A

.

Cargas sensibles

Contactos pol. X 6

Iluminación LED 50 W x 4

Cargas sensibles

Contactos pol. X 14

Iluminación LED 50 W x 20

7,420 W

Cargas sensibles

Servicio al cliente

Iluminación LED 50 W x 40

Cargas sensibles

Contactos pol. X 10

22,310 W

Iluminación LED 50 W x 30

Contactos pol. X 12

Iluminación LED 50 W x 30

Motores, 5 x 5HP

Taller

Exhibición

Oficinas admin.

SITE

6,180 W

6,220 W

5,580 W

Planta baja.

Planta alta.

Factores de riesgo. 

Las cargas sensibles se encuentran bajo el mismo sistema de protección que las cargas no sensibles. Ya que las cargas sensibles necesitan una protección especial de segunda etapa la cual no se tiene estas se encuentran en riesgo por los disturbios de tensión.



Las cargas sensibles en el SITE (servidores, conmutadores, amplificadores) están instaladas sin un gabinete que las proteja aterrizado a tierra.



Aunque la concesionaria no sea una edificación alta propensa a la caída de descargas eléctricas, la ciudad de Durango se encuentra en una zona medio-alta de incidencias isoceráunicas por lo que la caída de un rayo tiene una mayor probabilidad en la mancha urbana.

Diagrama unifilar propuesto. Como se menciona en los apuntes de clase, es recomendable que las cargas sensibles estén instaladas en tableros independientes de las cargas comunes o no sensibles para contar con una protección especial ante transitorios y disturbios en general. En el siguiente diagrama se proponen tableros independientes para las cargas sensibles y de cómputo especiales en la instalación.

13.8 kV

225 kVA 13.8 kV-220/127 V

3 x 200A

Taller

Servicio al cliente

Exhibición

Oficinas admin.

SITE

Servicio al cliente

Exhibición

Oficinas admin.

SITE

Con el tablero de cargas comunes separado de las cargas sensibles se propondría una protección de dos etapas. El grado de riesgo de los tableros con equipo de cómputo resulta en bajo riesgo, mientras que el equipo de procesamiento y los servidores ubicados en el SITE tienen un criterio de riesgo medio al considerarse cargas electrónicas más sensibles e indispensables.

Condiciones de bajo riesgo: Capacidad de supresión: 40kA a 120 kA. • Circuitos derivados a cargas finales de la aplicación. • Cargas muy sensibles con protección aguas arriba.

Condiciones de medio a bajo riesgo: Capacidad de supresión: 160kA y 120kA. • Cuartos de cómputo y procesamiento • Circuitos derivados sin protección en la zona media • Equipos robotizados y de control numérico

De acuerdo al criterio anterior se propone que solo las cargas sensibles en el SITE cuenten con un tablero separado de las cargas comunes. Además de incluir a las cargas de equipo de cómputo usadas comúnmente contactos o tomacorriente aislados de conexión a tierra como se muestra a continuación.

Diagrama unifilar final. 13.8 kV

225 kVA 13.8 kV-220/127 V

Equipo de protección de 1° etapa 3 x 200A

Equipo de protección de 2° etapa

Calculo del alimentador del tablero de cargas sensibles.

El tablero de cargas en el SITE tiene una carga de 3,930 W a 127 V, cuenta con una longitud de 105 m hasta el tablero principal ubicado en la acometida. Corriente nominal. 𝐼𝑛 =

3930 𝑊 = 30.94 𝐴 127 𝑉

𝐼𝑐 =

30.94 𝐴 = 37.73 𝐴 0.82

Corriente corregida.

*Factor de temperatura = 0.82. NOM 001-SEDE-2012, tabla 310-15(b)(2)(a). Factores de corrección para una temperatura ambiente de 30°C.

El calibre del alimentador del tablero corresponde a un cable de cobre THW calibre 8 AWG/8.37 mm2 con ampacidad máxima de 50 Amper a 75°C. *Ampacidades permisibles de conductores aislados de hasta 2000 V de 60°C A 90°C. NOM 001-SEDE-2012, tabla 310-15(b)(16).

La canalización corresponde a tubería conduit metálica de 3/4 pulg. 19 mm. No más de 5 conductores un la canalización.

*Cantidad de conductores admisible en tubería Conduit metálica cables TW y THW.

*Factor de caída para calibre 8 AWG FC= 5.36. Para calibre 1|0 FC=0.86. Tabla factor de caída de tensión unitaria.

Calculo de caída de tensión: %𝑒 =

(5.36)(105 𝑚)(30.94 𝐴) = 13.71% (10)(127)

De acuerdo al art.210-19 de la NOM 001-SEDE-2012, el porciento de caída de tensión debe ser menor al 3%. En este caso se excede por la distancia que hay entre el tablero de cargas sensibles y el tablero principal. Recalculando el calibre del conductor con calibre 1|0: %𝑒 =

(0.86)(105 𝑚)(30.94 𝐴) = 2.19% (10)(127)

La canalización cambia a tubería conduit metálica de 1 1/2 pulg. 38 mm. No más de 3 conductores un la canalización.

Protección contra picos Se selecciona de acuerdo al criterio y capacidades recomendadas en los apuntes de clase, tomando en cuenta un nivel de riesgo bajo para la protección de primera etapa y un nivel medio bajo para el de segunda etapa. Gabinete para servidor. Intellinet Gabinete para Servidor 19'', 26U, 600 x 800mm, hasta 1500kg. Tamaño: 19pulg. Factor de forma: 26U. Tipo: Independiente. Ancho: 600 mm. Profundidad: 800 mm. Altura: 1284 mm. Capacidad máxima de peso: 1500 kg.

Equipo de protección contra picos de primera etapa para tablero principal. Supresor de Picos Total Ground, Trifásico, 220/127 V, modelo global. Este supresor de picos cuenta con tecnología híbrida que incluye varistores de distintas capacidades acordes a las diferentes necesidades de protección. Además, los varistores integran un fusible térmico de alta precisión que en caso de una sobrecorriente abre el circuito, evitando el desprendimiento de llama e impidiendo que el varistor quede en corto. Ofrecen también protección modular para un fácil reemplazo, reparación y crecimiento. Otra virtud es el circuito de seguimiento de onda, cuya función es filtrar el ruido que se genera por el corte de voltaje transitorio. Cuenta con un gabinete de acero NEMA 4 y sopota capacidades de 200 kA. Equipo de protección contra picos de segunda etapa para tablero de cargas sensibles. Supresor de Picos de Tensión Surgeguard, Protección monofásica y trifásica (220 V, 440 V). Indicadores de final de vida útil en todos los protectores contra sobretensiones. Soporta sobrecorrientes de más de 100 kA. Tensiones de 200V a 4000V. Incorpora fusible térmico.

Calculo red de tierra. Se propone realizar una malla de tierras en una parte de terreno cercano al tablero de cargas sensibles del SITE, el cual cuenta con las siguientes dimensiones:

La barra para tierra recomendada en el libro “El ABC de la calidad de la energía eléctrica” de Enriquez Harper (pág. 193), corresponde a una varilla de cobre de 13 mm de diámetro con 3.05 m de longitud. Con la finalidad de cumplir el artículo 250-56 de la NEC que indica que la varilla de puesta a tierra deberá tener una resistencia igual o menor de 25 Ω por metro, se propondrá tener una resistencia en el terreno de 15 Ω por metro. En la siguiente tabla (libro “El ABC de la calidad de la energía eléctrica” de Enriquez Harper, pág. 192) se muestran algunos valores típicos de resistividad de terrenos, de la cual se tomara el valor correspondiente al suelo arenoso seco con una resistividad de 1000 Ω/m.

La longitud de planta de la malla de tierras se toma del criterio siguiente: 𝐿 = 3 ∗ 𝐿1 + 3 ∗ 𝐿2 L1 y L2 representan el largo y ancho del terreno. 𝐿 = 3 ∗ 10 + 3 ∗ 8 = 54 𝑚 Para representar la resistencia del terreno tomamos en cuenta la resistencia del tipo de tierra seleccionado: 𝑅𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜 =

𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 (𝜌) 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎𝑠 (𝑚)

𝑅𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜 =

1000 Ω/𝑚 = 18.51 Ω 54 𝑚

Como deseamos que la resistencia del terreno sea de 15 Ω, colocaremos varillas unidas a la malla de tierras. El conjunto de varillas y la malla actúan como resistencias en paralelo respecto a la tierra. 𝑅𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜 = ((𝑅𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 )−1 + (𝑅𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠 )−1 )−1 Para obtener la resistencia de las varillas se realiza el despeje: 𝑅𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 = ((𝑅𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜 )−1 − (𝑅𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 )−1 )−1 𝑅𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 = ((15)−1 − (18.51)−1 )−1 = 79.1 Ω El número de varillas necesarias (N) se obtendrá de la expresión siguiente: 𝑁𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠 = 𝑁𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠 =

𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 (𝜌) 𝑅𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 ∗ 𝐿𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠

1000 Ω/𝑚 = 4.14 = 5 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 79.1 Ω ∗ 3.05 𝑚

Posible representación de la malla de tierras.

De acuerdo a la norma NEMA, las varillas de puesta a tierra deben ser de no menos 2.4 metros (8 pies) de longitud con diámetro mínimo de 5/8 pulg. (0.625”), espaciarse a no menos de 1.83 m (6 pies) de separación cuando se especifica más de un electrodo y unidas con conductor de cobre desnudo no menor que 4 AWG. (250.53 NEMA. Resumen de la instalación del sistema del electrodo de puesta a tierra). https://www.nema.org/Standards/ComplimentaryDocuments/Electrodos%20de%20puesta%20a% 20tierra.pdf Cotización. Núm.

Articulo

Precio.

5

Varilla de acero con recubrimiento de cobre 5/8 ‘’, 3 m de largo.

$1,148.40

28 m de cable 3 AWG.

$2,436

1

Gabinete para servidor.

$6,600

1

Supresor de Picos Total Ground, Trifásico, 220/127 V

$13,000

1

Supresor de Picos de Tensión $5,400 Surgeguard,

Total

$28,584.40.

Comentarios y conclusiones. Tanto el cálculo de conductores, canalizaciones y criterios para diseñar la red de tierras deben estar respaldadas conforme a las normativas. En el cálculo de la red de tierras el tipo de suelo tiene un papel muy importante en donde siempre se buscara un suelo húmedo que beneficie la dispersión de una descarga atmosférica. Aun así si no se cuenta con un suelo adecuado, se puede comprar un sustrato especial con tal de bajar la resistividad del suelo. Para proteger cargas electrónicas sensibles es necesario un supresor de picos justo antes del tablero de cargas sensibles, y si se necesita protección especial a las cargas en general se puede proponer un supresor de picos de primera etapa instalado antes del tablero principal, con esto se tiene seguridad ante un disturbio causado por una descarga atmosférica.

Referencias. NOM 001-SEDE-2012. El ABC de la calidad de la energía eléctrica, Enriquez Harper. Apuntes de la materia calidad de la energía, Ing. Luna Leyva Jaime. https://www.nema.org/Standards/ComplimentaryDocuments/Electrodos%20de%20puesta%20a% 20tierra.pdf http://www.tecnicaindustrial.es/TIFrontal/a-1444-calculo-sistemas-puesta-tierra-edificios.aspx