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Unidad Nº3 Instalaciones Electromecánicas

Preparó: Ing Fioravanti

INSTALACIONES ELÉCTROMECANICAS UNIDAD 3 1.- DISEÑO TGBT 1.1.- DEFINICIONES Y CONCEPTOS El tablero Gral. de baja tensión, denominado TGBT o PWC (power center) es el tablero más importante en toda instalación eléctrica de baja tensión. El TGBT está alimentado desde el o los trafos de potencia que, normalmente reducen de MT a BT (13,2 o 33kV a 380V).

Al estar próximo al trafo de potencia los valores de corriente de cortocircuito "kI es elevado, dependiendo de

la potencia del trafo y de su tensión de cortocircuito los valores que se obtienen son de decenas de kA, por lo que para el diseño del TGBT se deben tener en cuenta:

- Corrientes de carga nominal

- Corriente eficaz de cortocircuito permanente presunta "kI .

- Corriente de cortocircuito pico máxima ip. - Esfuerzos electrodinámicos en barras. - Enclavamientos entre interruptores - Medición. - Circuitos unifilares de potencia, comando y medición. - Topográficos, cortes y vistas. - Soluciones en las conexiones a interruptores. - Selectividad en BT - Selectividad BT-MT. - Puesta a tierra de servicio y de seguridad, sistema de puesta a tierra (TT, TN-S, etc.) - Protección diferencial. - Estudio térmico del tablero (calentamiento).

1.2.- CIRCUITO UNIFILAR TÍPICO El circuito unifilar típico de un TGBT en el cual se utilizan como protección interruptores termomagnéticos y con un solo trafo de potencia de 1000kVA de alimentación es el que está en la figura 1, en el cual el interruptor de cabecera o Gral. es el I1, los de salidas son los Ic1…6, los tramos de conductores se denominan L1,2,..n, y las barras colectoras u ómnibus B.

Figura 1



1.3.- SELECCIÓN DEL INTERRUPTOR DE CABECERA O GRAL I1 1.3.1.- Corriente permanente asignada Iu El interruptor I1 debe ser tetrapolar, cuya corriente Iu deberá ser superior a la corriente nominal de BT del trafo de potencia. Para este caso:

AI nTr 1500≅ = Corriente nominal del trafo de 1000kVA

Por lo que de acuerdo a los interruptores standard (abiertos o compactos) adoptamos los que poseen una Iu=1600 A. Interruptor compacto o abierto?, en este caso que la AIU 600.1≤ puede ser cualquiera de los dos tipos de

interruptores, en Gral. mi opinión es colocar como cabecera un interruptor abierto porque son más robustos pero no es un criterio absoluto y final. En este caso decidimos colocar un interruptor abierto que en la línea de ABB son los Emax y en Schneider los Masterpact. De acuerdo a la Iu tenemos en ABB el E1, E2 o el E3; en Schneider NT16 o el NW16. 1.3.2.- Corriente nominal In La corriente In de la protección deberá estar regulada en 1500 A que es la nominal del trafo de potencia. Se puede seleccionar cualquier relé electrónico disponible en las versiones: en ABB PR121, PR122 o PR123; en Schneider micrologic 2, 5 o 6. 1.3.3.- Poder de corte En este caso al ser el interruptor más importante de la instalación de BT es aconsejable seleccionarlo con la Ics. Para ello necesitamos conocer la corriente de cortocircuito máxima presunta en bornes de trafo o en la entrada del I1, en este caso tenemos

kAI k 30"=

A su vez si consideramos un k = 1,8 podemos calcular la corriente pico

kAkAiP 7630*8,1*2 ==

Por lo que debe cumplirse que:

kAIIcs k 30"=≥

kAiI Pcm 76=≥

De acuerdo a estos valores se puede seleccionar: En ABB un E1B y en Schneider NT16 H1, en ambos casos se seleccionó el interruptor más económico.



1.4.- SELECCIÓN DE UN INTERRUPTOR DE SALIDA Ic1 1.4.1.- Corriente permanente asignada Iu El interruptor Ic1 puede ser tri o tetrapolar, cuya corriente Iu deberá ser superior a la corriente de la carga o tablero que alimenta. Para este caso suponemos:

AI nc 5001 ≅

Por lo que de acuerdo a los interruptores standard compactos adoptamos los que poseen una Iu=630 A. Si la corriente presunta de la carga está muy cerca del valor de la corriente Iu, por ejemplo AI nc 6001 ≅ cuyo

valor es muy cercano a los 630 A, es conveniente seleccionar el interruptor inmediato superior, que en este caso es el que posee una Iu = 800 A. En el caso que la carga sea 40 A, se debe instalar un interruptor de Iu = 100 A con relé de protección que cubra dicha corriente por Ej. un TM-D de 35 a 50 A, pero el cable que conecta el interruptor a barras es recomendable seleccionarlo con una corriente de carga de 100 A. Continuando con nuestro ejemplo podemos colocar un interruptor que en la línea de ABB son los Tmax y en Schneider los Compact. De acuerdo a la Iu tenemos en ABB el T5, o el T6; en Schneider NSX630. 1.4.2.- Corriente nominal In La corriente In de la protección deberá estar regulada en 500 A que es la nominal de la carga o tablero que alimenta. Se puede seleccionar cualquier tipo de relé electrónico con regulación a 500 A. 1.4.3.- Poder de corte Es aconsejable seleccionarlo con la Ics. Seguimos considerando los mismos valores que en el I1 Por lo que debe cumplirse que:

kAIIcs k 30"=≥

kAiI Pcm 76=≥

De acuerdo a estos valores se puede seleccionar: En ABB un T5N y en Schneider NSX630F, en ambos casos se seleccionó el interruptor más económico. 1.4.4.- Selectividad Tenemos que verificar en las tablas de selectividad en donde figuren ambos interruptores. Vemos en los dos cuadros siguientes la selectividad total entre ambos interruptores para las dos marcas.



Interruptores Schneider Interruptores ABB 1.5.- SELECCIÓN DE CONDUCTORES 1.5.1.- Conductor trafo-TGBT - Tramo L1 Para la selección de cualquier conductor se debe considerar: corriente de carga, corriente de cortocircuito y caída de tensión. En este caso al ser un tramo corto (5 o 10mts) no hace falta verificar la caída de tensión. Corriente de carga IcL1 La corriente de carga se debe considerar la corriente nominal de BT del trafo de potencia, en este caso:

11500 cLnTr IAI =≅

La conexión trafo-TGBT se puede realizar con cables 1kV Iram 2178 o barras en ductos. La 1º opción se realiza en trafos hasta 1000kVA para potencia superiores se pueden optar por culaquiera de las 2 opciones. En nuestro caso adoptamos cables unipolares con aislación XLPE porque a igual sección que los PVC tienen mayor capacidad de conducción eléctrica. La temperatura ambiente adoptada es 40ºC, tendidos en bandeja escalera, disposición en tresbolillo.

22401608 mmxXLPEcableAI cable −−=≅



F1 = factor corrección por temperatura = 0,90

F2 = factor de agrupamiento = 2 sistemas en dos bandejas = 0,95

Por lo que nos queda

AAI cable 520608*96,0*9,0 ==

Lo que se necesitarían 3 cables x 520 A/cable = 1.560 A> 1500 A verifica⇒ La distribución de las ternas en la bandeja portacable debe ser efectuada según recomienda la RAEA. Para nuestro caso se utiliza una bandeja escalera de 450x92mm Para conectar el conductor de neutro se utilizarán 2 cables XLPE 1x240mm2. En la actualidad y debido al continuo avance de la electrónica de potencia es necesario cablear el neutro con igual o superior sección que las fases, por ello se debe hacer un análisis del contenido de armónicos que presenta las cargas. Verificación por cortocircuito Necesitamos conocer en que tiempo actúa la protección de MT del trafo. Para trafos superior de 800kVA en Gral. se protege en MT con interruptores, que el tiempo de actuación es

nsuperior a los 100mseg, pero para nuestro trabajo consideramos 200mseg y la kAI k 30"= .

222" ** kStI k ≤

S > 93mm2⇒Verifica



Para la conexión de los 3 cables por fase se debe colocar barras de cobre en el borne del interruptor, para dimensionar esta barra lo vemos en el paso siguiente. 1.5.2.- Conductor Tramo L2 – Interruptor I1-barras B La corriente de carga es igual que en el caso anterior y para la verificación de la corriente de cortocircuito se

debe utilizar la energía pasante )( 22 segAti del interruptor de cabecera I1. Pero para la construcción del talero en Gral. es conveniente utilizar barras para ejecutar el tramo L2, por lo que necesitamos conocer la sección de la barra de salida del interruptor principal y definir el tipo de ejecución del interruptor a utilizar: fijo anterior, fijo posterior, extraíble, etc. Definimos un interruptor fijo posterior con conexiones horizontales. De los catálogos obtenemos:

Interruptor ABB Emax



Interruptor NT16 Schneider En ambos casos la barra del interruptor tiene 44mm de ancho y un paso polar de 70mm por lo que se pueden utilizar barras de 50mm de ancho, como prevención para evitar contactos entre barras se puede colocar termocontraibles a la barra y separadores; estos últimos son accesorios de los interruptores. Para verificar la barra vamos al catálogo y obtenemos dos barras pintadas de 50x10mm por fase o tres barras sin pintar de 50x10mm, lo ideal para la ejecución es no colocar más de 2 barras por fase, pero a su vez las barras pintadas (que conducen mayor corriente) no los recomiendo utilizar en tramos cortos como es este caso, de ahí que se defina colocar 3 barras sin pintar de 50x10mm. Otro tema importante en la instalación de las barras tiene que ver con el esfuerzo electrodinámico que veremos su cálculo en el punto siguiente, porque de dicho cálculo se define la separación de barras y de los soportes de las mismas. Los soportes de barras se pueden ejecutar con aisladores epoxi o prensabarras. 1.5.3.- Conductor barras ómnibus B de TGBT La corriente de carga es igual que en el caso anterior y para la verificación de la corriente de cortocircuito se

debe utilizar la energía pasante )( 22 segAti del interruptor de cabecera I1. En este caso no tenemos la limitación del ancho de barras por lo que utilizamos si es posible una sola barra por fase, que viendo la tabla de barras elegimos la barra de 80x10mm. Verificación esfuerzo electrodinámicos Con el valor de la corriente pico presunta ip se calcula el esfuerzo electrodinámico que soportarán las barras colectoras.

a

likF p ..2

=

F = fuerza entre conductores principales a = separación entre barras de distintas fases l = distancia entre soportes de barras. k = cte La norma Iram 2358 da los pasos a seguir para verificar si las barras soportan el esfuerzo electrodinámico A su vez en la norma Iram 2358 da valores de densidad de corriente para barras de cobre desnudas para verificar la corriente de cortocircuito admisible.



1.5.4.- Conductor Tramo L3 barras B-Interruptor Ic1 En Gral. si se trata de interruptores de 400 A o menores recomiendo colocar cables, a partir de 400 A en adelante colocar barras. En nuestro caso el interruptor Ic1 es un compacto de 630 A, por lo que la barra debe soportar dicha carga y debe soportar los 30kA de cortocircuito, en el tiempo de apertura del I1. Para definir la barra debemos conocer el ancho que admite el borne de conexión del Ic1 y que tipo de ejecución definimos. Optamos por ejecución fija anterior.

Conexión en interruptor Schneider



Conexión interruptor ABB En el caso de Schneider se puede utilizar barras de 30mm de ancho y en el caso de ABB 35mm pero las barras standard pasan de 30 a 40mm, por lo que se elige 2 barras sin pintar de 30x5mm por fase. 1.5.5.- Conductor Tramo L9 salida Interruptor Ic1 En este caso se debe verificar el cálculo de caída de tensión. La corriente de carga se toma los 630 A que puede dejar pasar el Ic1, por lo que si optamos por cable con aislación PVC unipolares, disposición tresbolillo, enterrados en caño, una terna de cables por caño, longitud 70mts. Corriente admisible del cable El cable de 1x240mm2 admite 459 A Factores de corrección F1 = factor por resistividad del terreno = 1 F2 = factor por temperatura del terreno = 1 F3 = factor de agrupamiento = 0,85 F4 = factor por profundidad = 1 F5 = factor por ir en caño = 0,8 Lo que nos queda

AAI cable 312459*8,0*85,0 ==

Lo que se necesitarían 2 cables x 312 A = 624 A Corriente de cortocircuito

Se obtiene la energía pasante del interruptor con la kAI k 30"=

En ABB y en Schneider tenemos 2,8x106 A2seg = i2t < S2k2 = 761x106 A2seg ⇒Verifica



Caída de tensión En Gral. del TGBT se alimentan tableros seccionales que a su vez pueden alimentar otros subseccionales por lo que se deberá analizar el tipo de carga que se alimenta (iluminación o FM) y cantidad de tableros en cascada. Por lo Gral. utilizo 1% de caída de tensión admisible. Por lo que en este caso ∆e = k I l (R cos φ + X sen φ ) ∆e = 4,7 V = 1,2 % Verifica. Conexión de salida del interruptor Los terminales de 240mm2 standard miden 39mm de ancho por lo que no se podrían conectar al borne del interruptor pero en la línea de productos marca La Casa de los Teminales vienen unos terminales denominados compactos cuyo ancho mide 30mm.

En cada borne de los interruptores se pueden conectar hasta 2 cables. A su vez en la zona donde se indenta el terminal se coloca un tubo termocontraíble como aislante. 1.6.-MEDICIÓN Al tratarse de un tablero importante se lo equipa con instrumentos de medición de: corriente, tensión, energía, demanda, factor de potencia. Los equipos vienen con la posibilidad a su vez de comunicarse vía RS232, 485, modbus, etc. En Gral. se colocan trafos de corriente en cada fase, la señal de tensión se toma directamente de las fases y el neutro. Es usual colocarle a cada interruptor pilotos luminoso para indicar si están abiertos o cerrados. La protección eléctrica para todos los equipos de medición debe seleccionarse con la corriente cortocircuito, por eso que en Gral. se instalan guardamotores magnéticos que poseen un poder de corte superior a 50kA.



1.7.- DOCUMENTACIÓN La documentación mínima a entregar para la ejecución de un TGBT es:

a) Circuito unifilar de potencia, en el que se indica las características de todos los interruptores, secciones y tipo de conductores. Puede ser también un circuito trifilar.

b) Circuito de comando y/o medición. En el caso de enclavamientos eléctricos se indica a su vez la secuencia de las maniobras.



c) Topográfico: en el cual se indica las dimensiones y características de los gabinetes, distribución de los elementos, forma de ejecutar las conexiones a barra y a interruptores, instalación de soporte y aisladores, soportes de cables de entrada o salida, puesta a tierra.

d) Cálculos de corrientes de cortocircuito y esfuerzos en barras. e) Vista en planta y cortes con detalles de bandejas portacables, trincheras, cañeros, etc.

Circuito unifilar

Topográfico



1.8.-GABINETES Puede estar construido con una estructura de chapa plegada BWG14 o perfiles estructurales normalizados (espesor 2mm) y cierres en chapa BWG14. Nivel de protección: de acuerdo a su forma constructiva y cierres puede tener un alto grado de protección por Ej. IP55 o IP65. Existen gabinetes standard fabricados por empresas afines, en los que establecen dimensiones y formas, a su vez hay fabricantes de gabinetes a pedido en la cual se debe entregar un plano con la forma constructiva. Se utiliza pintura horneable color gris Ral 7032, los cierres de las puertas a falleba o con 2 cierres ¼ de vuelta por puerta, burlete de neoprene en puertas y cerramientos, en Gral. se colocan puertas en la parte frontal y en el fondo del gabinete. Dimensiones: altura de 1.800 a 2.000mm, ancho de cada módulo de 800 a 1.000mm, profundidad de 600 a 1.200mm, zócalo perimetral de 100mm de altura, ducto de barras ómnibus con soportes en aislante epoxi. Al ser un tablero de grandes dimensiones se ejecuta acoplando módulos. En las fotos siguientes se puede ver un tablero compuesto por 3 módulos acoplados y ducto de barras en la parte superior.

El TGBT puede estar cubicado, es decir cada módulo está a su vez dividido en varias partes cada una de ellas con puerta y cierres internos laterales, superior e inferior, como en el caso que muestra el plano topográfico anterior. La norma IEC 60439 menciona como formas (1, 2b, 3b y 4b) a las distintos tipos de ejecución del cubicado o separaciones internas. Cuando se dimensiona el recinto a donde se ubicará el TGBT se debe tener presente que con las puertas abiertas pueda circular el personal en el interior del recinto. Además se debe realizar el estudio térmico para evitar temperaturas elevadas en el interior del TGBT, para ello se debe conocer la disipación (en W) que realizan todos los componentes instalados en su interior y comparar con la disipación que realiza la envolvente metálica y el salto de temperatura entre el interior y exterior del gabinete. Se suele agregar ventiladores que insuflan o extraen aire al interior. Otro tema para tener en cuenta para evitar calentamiento puntual en bornes o en barras es el relativo a los torques necesario para lograr una unión duradera y que no genere puntos calientes, dichos puntos son detectados a través de cámaras infrarrojas. En la unión de barras se utilizan bulones acerados (8.8) o cincados, con doble arandela plana, grower y tuerca, cuando se perfora la barra de Cu se debe tener especial cuidado de no dejar rebabas, de esta forma se evita el mal contacto y el calentamiento en la unión.



1.9.- Enclavamientos y acoplamientos Cuando el TGBT está alimentado por 2 trafos de potencia o hay un grupo electrógeno como alimentación alternativa o de emergencia son necesarios realizar algunos enclavamientos entre interruptores y acoplamientos o desacoples de barras (cargas). Las maniobras de acoplamiento y desacople se pueden hacer en forma manual o automática, en ambos caso son necesarios enclavamientos eléctricos y mecánicos. En el circuito unifilar siguiente se muestra un TGBT que está alimentado por un trafo de potencia y el grupo solo alimenta las cargas de los interruptores I5, I6 y I7, de esta forma cuando el sistema esté alimentado desde el grupo se deben desacoplar las cargas de los interruptores I2, I3 y I4.

Los interruptores I8 e I9 deben estar enclavados, lo ideal es que dicho enclavamiento sea eléctrico y manual para evitar malas maniobras, en el caso que se quiera efectuar la conmutación en forma automática los interruptores I8 e I9 deben estar equipados con motor, bobina de apertura y contactos auxiliares. Los fabricantes tienen un equipo que realiza el comando de la conmutación automática, en ABB se denomina ATS 010 y en Schneider ACP.

Unidad de conmutación ABB Unidad Schneider En el caso en que la operación de transferencia fuese en forma manual los interruptores I8 e I9 se pueden cambiar por interruptores-seccionadores. Si el grupo alimenta a todas las cargas se puede eliminar el interruptor I9 y el enclavamiento se realiza entre I1 e I8.



1.10 Protección diferencial Las salidas del TGBT si se adopta el sistema TT deben estar dotadas de protección diferencial, o realizar desde la salida del TGBT hasta la carga que se alimenta una instalación con doble aislación o clase II. En el caso de adoptarse el sistema TN-S se podrá verificar la corriente de cortocircuito mínima en la carga y si ésta se despeja en menos de 200mseg es apta, caso contrario se debe colocar protección diferencial. 1.11.- Puesta a tierra (p a t) En todo centro de transformación (CT) se deben efectuar 2 tipos de p a t: de servicio y de protección. Puesta a tierra de servicio: es aquella por la cual se referencia el centro de estrella a tierra, puede ser rígido, o imperante. De aquí surgen los sistemas TT, TN e IT. Puesta a tierra de protección: se conectan los elementos metalicos que, en estado normal, no deben estar sometidos a tensión. En el CT por lo gral se intenta unir ambas p a t siempre y cuando la sobretensión por una falla en MT no supere el valor especificado para los elementos de BT (1, 4 o 10kV). En el caso de separar las p a t se deben ejecutar a una distancia tal que no se generen tensiones inducidas, esta distancia depende de la resistividad del terreno, de la corriente de falla