Cálculo de regulación y selección de conductor óptimo para una red de distribución

CLCULO DE REGULACIN Y SELECCIN DE CONDUCTOR PTIMO PARA UNA RED DE DISTRIBUCIN

Presentado a: Ing. Camilo Quintero

Asignatura: Transmisin y distribucin

Presentado por: Cristian David Rodrguez

Cristian Eduardo Moreano Gustavo Andrs Cardona

Mateo Mancera

Bogot D.C., mircoles 20 de mayo de 2015 Universidad Nacional de Colombia

Sede Bogot

CONTENIDO

1. RESUMEN EJECUTIVO 2. INTRODUCCIN 3. SUPUESTOS 4. METODOLOGA 5. INFORMACIN DE ENTRADA 6. RESULTADOS

1. RESUMEN EJECUTIVO Los sistemas de distribucin actuales estn llegando al tiempo para el cul han sido pronosticadas, lo que significa que en unos pocos aos, las redes de distribucin encargadas del suministro energtico a los usuarios finales, no sern eficientes, y es posible que incluso dejen de cumplir con las normativas legales que los rigen. Por lo anterior, se hace necesario llevar a cabo un proceso de renovacin, y por ende, es menester realizar una evaluacin para estas redes. Existen diversos factores que intervienen en el diseo de sistemas de transmisin y distribucin de energa elctrica, tales como carga, distancia, esfuerzos mecnicos, regulacin en tensin, coeficientes trmicos, y dems. En el estudio que se llev a cabo, se encontraron los valores de regulacin permitidos por la reglamentacin actual, para un periodo de 20 aos, en unas rutas previamente definidas por el proyecto que se encuentra funcionando en la actualidad y para las cargas mximas requeridas por parte de los usuarios finales.

2. INTRODUCCIN En este documento se representa el clculo de carga y prdidas en un sistema de distribucin, cumpliendo con una regulacin mxima de 4% para sistemas de media tensin, y 5% para sistemas de baja tensin, en una proyeccin del diseo a 20 aos, teniendo unas rutas previamente definidas por el proyecto anterior.

3. SUPUESTOS

1. Se asume que los coeficientes trmicos para las lneas de media y baja tensin, no afectan considerablemente, lo que permite hacer un uso indistinto de los conductores, sin importar la hora del da.

2. Las lneas son conductores uniformes y continuos. 3. Las cargas de alumbrado disminuyen su demanda hasta un punto en el que

son constantes (2 % por 5 aos). 4. Las cargas comerciales y residenciales aumentan su demanda con el paso

del tiempo (2%).

4. METODOLOGA Para los clculos realizados a continuacin, se tomaron los mayores valores registrados en la curva de carga para cada uno de los sistemas trabajados en el proyecto. Previamente se obtuvo diversos parmetros caractersticos para cada uno de los sistemas, tales como:

Distancia entre nodos Distancia entre transformador y usuario final Capacidad mxima en cada transformador

Demanda de carga en el tiempo (24 horas) Tipo de conductor y su capacidad nominal Nmero de clientes por transformador

Con los datos anteriores, se procede a calcular la regulacin siguiendo los pasos detallados a continuacin:

Calcular las constantes K1 y K2 para cada conductor Utilizar la demanda de carga nominal para conocer el flujo energtico en el

ao 0 Asumir cambios progresivos de demanda a travs del tiempo (para todos los

tipos de carga), hasta el ao de proyeccin Calcular la regulacin en tensin para el caso ms crtico (ao proyectado) Variar la capacidad de cada lnea hasta que las regulaciones cumplan con el

lmite establecido Encontrar las prdidas debidas al conductor Seleccionar un calibre que permita la reduccin de las prdidas en el sistema Repetir el procedimiento anterior

Especificaciones de clculo:

Clculo de los coeficientes K1 (regulacin) y K2 (prdidas) del conductor

Para la obtencin de las constantes caractersticas del conductor, se utiliza las tabla 8.3 8.12 y las 10.4 10.13, que se encuentran en el libro Redes de distribucin de energa, donde, segn las caractersticas del conductor elegido y su espaciamiento entre lneas, se obtienen unos factores constantes de regulacin y prdidas para cada caso.

Usar la demanda de carga nominal del sistema para conocer el flujo energtico

Previamente se realiz un estudio de demanda segn la franja horaria en cada nodo y en cada transformador que se encuentra en el sistema. Se consider el punto de mayor solicitud energtica para cada uno de los nodos, ya que sera este el punto crtico a la hora de cumplir con la regulacin fijada segn las normas estatales.

Asumir cambios de demanda a travs del tiempo hasta el ao de proyeccin

Con el paso del tiempo, la necesidad energtica por parte de los usuarios tiende a incrementarse, los cuales pueden afectar la regulacin de tensin a

travs del tiempo. Segn el tipo de carga, se define el porcentaje de aumento o disminucin de la demanda desde el ao cero hasta el ao proyectado.

Clculo de la regulacin para el caso ms crtico (ao proyectado)

Teniendo ya la prediccin de carga para el ltimo ao en el cual el sistema es utilizado, se realiza la regulacin de tensin para el sistema, obteniendo as los valores ms crticos, permitiendo la evaluacin del diseo y un posible replanteamiento, ya sea de calibre de conductor, o de transmisin de energa elctrica.

Variar las prdidas hasta cumplir con los valores determinados de regulacin

Teniendo ya la regulacin propia del sistema con los valores de carga definidos en el ao cero, se procede a una variacin de la misma, de tal manera que se cumplan los valores lmites en regulacin para el ltimo ao proyectado, permitiendo as, optimizar el proyecto en cuanto a carga/regulacin.

Encontrar las prdidas debidas al conductor

Otro factor importante en el diseo, es la caracterizacin de las prdidas debidas a las impedancias de los conductores, que se encuentran con la cada de tensin y la corriente suministrada para suplir la demanda de carga requerida por los usuarios finales.

Seleccionar un calibre menor de conductor

Teniendo los datos anteriores, se puede seleccionar un conductor diferente que permita un mayor trnsito de carga para la misma regulacin energtica.

5. INFORMACIN DE ENTRADA

Media tensin

El lugar de evaluacin corresponde a una parte del barrio La Soledad, ubicado entre las carreras 30 y 19, y entre las calles 45 y 26, como es mostrado en la figura 1.

Ilustracin 1. Mapa ubicacin barrio 'La Soledad'

Ilustracin 2. Tramo evaluado para la red de media tensin

En la ilustracin 2, se detalla el tramo especfico elegido para realizar la evaluacin de regulacin en el ejercicio. Se seleccion, ya que en

comparacin con los dems circuitos, este es el que cuenta con mayor momento elctrico. Tambin se observa la ubicacin de cada uno de los transformadores encontrados en el lugar de evaluacin (se podr observar detalladamente en plano de AutoCAD que se encuentra en los archivos adjuntos). El calibre usado en el ejercicio es 2 AWG. Baja tensin En este caso, slo se tiene un nodo por transformador, donde los nicos parmetros que varan en cada caso son el nmero de clientes activos, y las respectivas distancias para el trnsito energtico. En la figura 1 se muestra tambin la posicin de cada uno de los transformadores que se encuentran en el barrio, los cuales son objeto de evaluacin. El calibre utilizado en este caso, es 2 AWG para todos los circuitos. Demanda de carga

Ilustracin 3. Demanda energtica

En la ilustracin 3, es posible ver la demanda de cada uno de los transformadores que componen el sistema de distribucin, de la misma forma, se obtiene la demanda para cada uno de los nodos que

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Series1

se encuentran en el tramo seleccionado, como se muestra en las figuras 4 a 13

Ilustracin 4. Carga en el nodo 1



0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Carga en el nodo 1

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Carga en el nodo 2

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Carga en el nodo 3




0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Carga en el nodo 4

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Carga en el nodo 5

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Carga nodo 6

Series1




0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Carga nodo 7

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Carga nodo 8

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Carga nodo 9


0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Carga nodo 10

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Carga en el emisor

6. RESULTADOS

MEDIA TENSIN Para el conductor utilizado inicialmente, se tienen los siguientes parmetros:

Tabla 1. Parmetros del conductor

Resistencia del conductor(Ohm/m)

0,000851

Constante del conductor K1

5,94111E-07

Constate del conductor K2

6,11376E-07

Porcentaje de demanda por ao

2%

Para cada transformador, se tiene la respectiva demanda de carga, y con los debidos cambios en esta a travs del tiempo, se obtienen los resultados que se muestran en la tabla 2.

Tabla 2. Resumen demanda por transformador

Transformador Tipo de carga Potencia activa (W) Ao 1 Ao 5 Ao 10 Ao 20

1 Residencial 32736,716 33391,451 36143,980 39905,875 48645,039

2 Residencial 19625,213 20017,717 21667,821 23923,025 29162,034

3 Residencial 23049,579 23510,571 25448,598 28097,308 34250,462

4 Alumbrado 38058,098 38819,260 36536,377 36536,377 37267,105

5 Residencial 37794,432 38550,321 41728,107 46071,202 56160,538

6 Residencial 39599,324 40391,311 43720,854 48271,355 58842,513

7 Comercial 31656,470 32289,599 34951,301 38589,060 47039,849

8 Residencial 32959,638 33618,831 36390,104 40177,615 48976,289

9 Alumbrado 24963,801 24464,525 23495,729 23495,729 23965,644

10 Alumbrado 30082,385 29480,738 28313,300 28313,300 28879,566

11 Residencial 20947,041 21365,981 23127,225 25534,326 31126,200

12 Industrial 56089,582 57211,373 61927,431 68372,887 83346,168

13 Comercial 33020,011 33680,411 36456,760 40251,209 49065,999

14 Industrial 45472,747 46382,202 50205,587 55431,025 67570,110

15 Residencial 20759,609 21174,801 22920,286 25305,848 30847,687

16 Alumbrado 26601,982 26069,942 25037,573 25037,573 25538,324

17 Alumbrado 31833,254 31196,588 29961,204 29961,204 30560,428

18 Residencial 21590,893 22022,711 23838,090 26319,178 32082,931

19 Residencial 31924,787 32563,283 35247,545 38916,137 47438,554

20 Industrial 39019,754 39800,149 43080,961 47564,862 57981,301

21 Residencial 27715,319 28269,625 30599,951 33784,819 41183,506

22 Industrial 30430,416 31039,025 33597,639 37094,508 45217,998

Ajustando los parmetros de carga y conductor, ya que la regulacin no cumple con lo requerido por las normativas legales:

Tabla 3. Parmetros nuevo conductor y ajuste de carga

Disminuir la carga

62%

Resistencia del conductor(Ohm/m)

0,000354

Constante del conductor K1

2,31424E-07

Constate del conductor K2

2,5917E-07

Porcentaje de demanda por ao

2%

Encontrando nuevamente, los valores demandados por cada uno de los transformadores.

Tabla 4. Ajuste de carga para cumplir con regulacin

Transformador Tipo de carga Potencia nueva W Ao 1 Ao 5 Ao 10 Ao 20

1 Residencial 12439,952 12688,751 13734,712 15164,232 18485,11

2 Residencial 7457,581 7606,733 8233,772 9090,749 11081,57

3 Residencial 8758,840 8934,017 9670,467 10676,977 13015,18

4 Alumbrado 14462,077 14751,319 13883,823 13883,823 14161,5

5 Residencial 14361,884 14649,122 15856,681 17507,057 21341

6 Residencial 15047,743 15348,698 16613,924 18343,115 22360,15

7 Comercial 12029,459 12270,048 13281,494 14663,843 17875,14

8 Residencial 12524,663 12775,156 13828,239 15267,494 18610,99

9 Alumbrado 9486,244 9675,969 9292,801 9292,801 9478,657

10 Alumbrado 11431,306 11659,933 11198,199 11198,199 11422,16

11 Residencial 7959,875 8119,073 8788,346 9703,044 11827,96

12 Industrial 21314,041 21740,322 23532,424 25981,697 31671,54

13 Comercial 12547,604 12798,556 13853,569 15295,459 18645,08

14 Industrial 17279,644 17625,237 19078,123 21063,790 25676,64

15 Residencial 7888,651 8046,424 8709,709 9616,222 11722,12

16 Alumbrado 10108,753 10310,928 9902,616 9902,616 10100,67

17 Alumbrado 12096,636 12338,569 11849,962 11849,962 12086,96

18 Residencial 8204,539 8368,630 9058,474 10001,288 12191,51

19 Residencial 12131,419 12374,047 13394,067 14788,132 18026,65

20 Industrial 14827,506 15124,056 16370,765 18074,648 22032,89

21 Residencial 10531,821 10742,458 11627,982 12838,231 15649,73

22 Industrial 11563,558 11794,829 12767,103 14095,913 17182,84

Con los resultados obtenidos en la tabla 4, es posible calcular la potencia que recorre cada uno de los tramos que se encuentran en el circuito seleccionado.

Tabla 5. Potencia en cada tramo del circuito

Tramo Potencia

0-1 270645,492

1--2 160967,6793

2--3 148191,1826

3--4 138512,9955

4--5 118730,798

5--6 96988,54763

6--7 84189,24231

7--8 71850,64763

8--9 35982,70021

9--10 18357,35888

Encontrando as, las respectivas prdidas para cada uno de los aos.

Tabla 6. Prdidas por ao en cada tramo

AO PRDIDAS

(W)

1 47,39705033

2 48,44090659

3 49,53531818

4 51,10837971

5 52,7383406

6 371,0213071

7 56,17770859

8 57,99170524

9 59,87178724

10 61,82048061

11 63,84041053

12 65,93430534

13 68,1050006

14 70,3554434

15 72,68869679

16 75,10794441

17 77,61649527

18 80,21778882

19 82,91540006

20 86,26539787

Baja tensin A pesar de seleccionar un mismo conductor para los dos niveles de tensin, las constantes cambian, de acuerdo a la configuracin de hilos en la que se maneje, por tanto, en la tabla 7 se muestran las nuevas constantes de regulacin para los conductores utilizados en la distribucin de energa elctrica.

Tabla 7. Constante del conductor segn su configuracin circuital

Conductor a 200mm 208V k1

4 0,00372658

2 0,00260069

Realizando los procesos anteriores, al igual que en media tensin, se obtienen los diversos valores de regulacin para cada uno de los ramales que parten de cada transformador, con la nica diferencia, que en estos casos slo existe un nodo (transformador) para alimentar todas las terminales (usuarios finales). En las tablas 8 a 22, se ilustran los valores de regulaciones parciales y acumuladas, donde se tiene en cuenta nicamente la regulacin parcial, ya que al ser ramales no sucesivos, no se presenta el efecto de acumulacin de regulaciones.

Tabla 8. Regulacin transformador 1

TRANSFORMADOR 1

PARCIAL ACUM.

1 0,57345215 0,57345215

2 0,76746362 1,34091576

3 1,42543819 2,76635395

4 1,88888115 4,6552351

5 0,49792811 0,49792811

6 2,83332172 3,33124983

7 1,38517951 4,71642934

8 0,38011685 5,09654619


TRANSFORMADOR 2

PARCIAL ACUM.

1 1,14690429 1,14690429

2 0,57559771 1,722502

3 0,47514606 2,19764807

4 1,2592541 3,45690217

5 0,33195207 3,78885424

6 1,14690429 4,93575853

7 2,36110143 7,29685996

8 0,69258975 7,98944971

9 0,47514606 8,46459578

10 0,26556166 8,73015743


TRANSFORMADOR 3

PARCIAL ACUM.

1 3,77776229 3,77776229

2 0,57559771 4,35336001

3 1,42543819 5,7787982

4 1,2592541 7,0380523


TRANSFORMADOR 4

PARCIAL ACUM.

1 2,83332172 2,83332172

2 0,86017822 3,69349994

3 1,43363036 5,1271303

4 2,83332172 2,83332172

5 1,38517951 4,21850123

6 0,38373181 4,60223304


TRANSFORMADOR 5

PARCIAL ACUM.

1 1,88888115 1,88888115

2 1,03888463 2,92776578

3 0,47514606 3,40291184

4 0,94444057 4,34735241


TRANSFORMADOR 6

PARCIAL ACUM.

1 0,57345215 0,57345215

2 1,88888115 2,46233329

3 0,52180244 0,52180244

4 0,86017822 1,38198066

5 1,51110492 2,89308558

6 1,88888115 4,78196672


TRANSFORMADOR 7

PARCIAL ACUM.

1 2,04628791 2,04628791

2 1,76295574 3,80924365


TRANSFORMADOR 8

PARCIAL ACUM.

1 1,51110492 1,51110492

2 1,3222168 2,83332172

3 1,38517951 4,21850123

4 1,51110492 5,72960615

5 0,86017822 6,58978436

6 0,47514606 7,06493043

7 0,34416491 7,40909534

8 0,38011685 7,78921219


TRANSFORMADOR 9

PARCIAL ACUM.

1 2,20369467 2,20369467

2 1,13332869 3,33702336

3 0,69258975 4,02961311

4 0,62616293 4,65577604

5 0,57345215 5,22922819

6 1,63703033 6,86625852

7 0,86017822 7,72643673


TRANSFORMADOR 10

PARCIAL ACUM.

1 0,94444057 0,94444057

2 1,03888463 1,9833252

3 0,52180244 0,52180244


TRANSFORMADOR 11

PARCIAL ACUM.

1 1,88888115 1,88888115

2 0,57345215 2,46233329

3 0,26556166 2,72789495

4 0,47514606 3,20304101

5 1,03888463 4,24192564


TRANSFORMADOR 12

PARCIAL ACUM.

1 0,57345215 0,57345215

2 1,03888463 1,61233678

3 0,47514606 2,08748284

4 1,76295574 3,85043858

5 0,52180244 4,37224102

6 0,57345215 4,94569316

7 1,88888115 6,83457431

8 1,38517951 8,21975382

9 1,03888463 9,25863845


TRANSFORMADOR 13

PARCIAL ACUM.

1 0,57345215 0,57345215

2 0,38373181 0,95718395

3 0,71271909 1,66990305

4 0,62962705 2,2995301

5 0,49792811 2,79745821

6 0,86017822 3,65763642

7 1,41666086 5,07429728

8 0,69258975 5,76688704

9 0,47514606 6,2420331

10 0,33195207 6,57398517


TRANSFORMADOR 14

PARCIAL ACUM.

1 0,57345215 0,57345215

2 1,03888463 1,61233678

3 0,47514606 2,08748284

4 0,94444057 3,03192341

5 1,63703033 4,66895374

6 1,88888115 6,55783489

7 1,88888115 8,44671603

8 1,03888463 9,48560066

9 2,83332172 12,3189224


TRANSFORMADOR 15

PARCIAL ACUM.

1 1,88888115 1,88888115

2 0,57345215 2,46233329

3 0,26556166 2,72789495

4 0,47514606 3,20304101

5 1,03888463 4,24192564

Cálculo de regulación y selección de conductor óptimo para una red de distribución

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