DIAGNÓSTICO DEL IMPACTO DE LA CONEXIÓN DE UNA TERCERA GRÚA PÓRTICO EN EL SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA DE LA SOCIEDAD PORTUARIA REGIONAL DE BUENAVENTURA CRISTÓBAL BERMUDES LONGA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA SANTIAGO DE CALI 2006
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DIAGNÓSTICO DEL IMPACTO DE LA CONEXIÓN DE UNA TERCERA GRÚA
PÓRTICO EN EL SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA DE LA SOCIEDAD
PORTUARIA REGIONAL DE BUENAVENTURA
CRISTÓBAL BERMUDES LONGA
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA
PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
SANTIAGO DE CALI
2006
DIAGNÓSTICO DEL IMPACTO DE LA CONEXIÓN DE UNA TERCERA GRÚA
PÓRTICO EN EL SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA DE LA SOCIEDAD
PORTUARIA REGIONAL DE BUENAVENTURA
CRISTÓBAL BERMUDES LONGA
Trabajo de grado para optar el título de Ingeniero Electricista.
Director de Proyecto LUIS EDUARDO ARAGÓN
Ingeniero Electricista, M.Sc.
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA
PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
SANTIAGO DE CALI
2006
Nota De Aceptación:
Aprobado por el Comité de Grado, en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Electricista Ing. JOSÉ LEONCIO GARCÉS Director Sociedad Portuaria Regional Buenaventura Ing. LUIS EDUARDO ARAGÓN RANGEL Director Universidad Autónoma de Occidente
Santiago de Cali, 23 de Noviembre de 2006
CONTENIDO
Pág.
RESUMEN 9 INTRODUCCIÓN 10 1. RECONOCIMIENTO DEL SISTEMA DE POTENCIA 12 ACTUAL DE LA SPRBUN 12 1.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 12 1.2 MEDICIÓN 14 1.3 SUBESTACIÓN NÚMERO 10 15 1.4 CIRCUITO GRÚAS PÓRTICO 16 1.4.1 Subestación número 12. 19 1.4.2 Transformador de Paraboloides. 19 1.4.3 Torres de alumbrado. 19 1.4.4 Patio de refrigerados. 20 1.4.5 Circuito aéreo. 21 1.5 ANOMALÍAS 25 2. DIAGRAMA UNIFILAR 27 3. FACTORES DE CARGA, DEMANDA Y PÉRDIDAS 28 3.1 FACTOR DE CARGA 28 3.2 FLUJO DE POTENCIA 30 3.2.1 Flujo de carga incluyendo grúa 3. 31 Cuadro 6. Resultados Flujo de carga 2.1.1 31 3.2.2 Flujo de carga sin considerar grúa 3. 31 3.2.3 Flujo de carga con grúa 3 conectada en circuito grúas pórtico. 32 3.2.4 Flujo de carga con la Grúa 3 32 3.2.5 Flujo de carga tercera grúa con la corriente de arranque. 33 3.2.6 Flujo de carga tercera grúa en circuito grúas pórtico. 34 3.3 PERFILES DE TENSIÓN DERIVADOS DE LA INCLUSIÓN DE LA NUEVA CARGA 35 3.4 PÉRDIDAS 37 3.4.1 Pérdidas en circuitos de media tensión. 38 3.4.2 Pérdidas en circuitos de baja tensión. 39 3.4.3 Pérdidas no técnicas. 39 4. CÁLCULO DE CONDUCTORES 40 4.1 DIAGNÓSTICO 44 4.2 ALIMENTADOR SUBTERRÁNEO SUBESTACIÓN No. 10 45 4.3 CIRCUITO AÉREO – TRAMO SUBTERRÁNEO 46 5. SIMULACIONES PARA DETERMINAR LOS NIVELES DE 48 6. REVISIÓN DE LA CARGABILIDAD DE LOS GRUPOS 52 ELECTRÓGENOS EXISTENTES 52 6.1 GRUPOS ELECTRÓGENOS 52 6.2 IMPACTO DE LA CONEXIÓN DE LA TERCERA GRÚA 55
7. CONCLUSIONES 57 8. SUGERENCIAS 58 8.1 ALIMENTACIÓN BODEGA No. 4 58 8.2 ALIMENTADOR AL BARRAJE DE LA GRÚA. 58 BIBLIOGRAFÍA 62
LISTA DE CUADROS
Pág.
Cuadro 1. Características de la celda interruptor DM1-A 17 Cuadro 2. Características de los conductores AWG-XELP 17 Cuadro 3. Características de los seccionadores QM 19 Cuadro 4. Subestación patio de refrigerado 21 Cuadro 5. Transformadores circuito aéreo 23 Cuadro 6. Resultados Flujo de carga 2.1.1 31 Cuadro 7. Resultados Flujo de carga 2.1.2 32 Cuadro 8. Resultados Flujo de carga 2.1.4. 33 Cuadro 9. Resultados Flujo de carga 2.1.5 34 Cuadro 10. Elementos Sobrecargados en el sistema de potencia de la SPRBUN 34 Cuadro 11. Resultados flujo de carga 2.1.6 35 Cuadro 12. Perfiles de tensión derivados de la inclusión de la nueva carga. 36 Cuadro 13. Resultados flujo de carga 2.3.1 37 Cuadro 14. Cargas circuitos principales 41 Cuadro 15. Corriente máxima circuito aéreo 44 Cuadro 16. Corriente máxima circuito subterráneo 44 Cuadro 17. Corriente máxima circuito subterráneo tres conductores 44 Cuadro 18. Corto circuito grúas pórtico 48 Cuadro 19. Corto circuito Monofásico 49 Cuadro 20. Cortocircuito trifásico. Nodos principales 50 Cuadro 21. Nivel de cortocircuito según la impedancia en lo nodos principales 51 Cuadro 22. Cargabilidad de grupos electrógenos 52 Cuadro 23. Carga en Grupos Electrógenos 53 Cuadro 24. Barraje de grúas Pórtico 58
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Seccionadores en By pass que permite la realimentación del circuito de usuarios 12 Figura 2. Banco de Condensadores (izq.) en serie (der.) en paralelo 13 Figura 3. Nodo 415335 15 Figura 4. Celda interruptor DM1-A 16 Figura 5. Grúas Pórtico 1 y 2 18 Figura 6. Subestación No. 10, celdas compartimentadas 18 Figura 7. Puente de tomas a 440 V. contenedores refrigerados 20 Figura 8. Punto de encuentro entre tramo subterráneo y tramo aéreo del circuito aéreo 22 Figura 9. Instalación de conductores por tubería subterránea y tabla de capacidades de corriente 42 Figura 10. Capacidad de Corriente (Amperios) tres Cables Monopolares 43
Como resultado de estos análisis se recomienda adelantar un estudio particular
tendiente a definir el esquema operativo de atención suplementaria a las grúas
pórtico 2 y 3 en situaciones contingentes.
Dicho estudio debe especificar el número y disposición de los grupos electrógenos
requeridos, así como sus potencias, niveles de tensión, ciclo de operación
(Emergency, Prime o Base) en correspondencia con los requerimientos del
sistema eléctrico asociado a las grúas pórtico 2 y 3.
Como complemento se deben hacer los estudios económicos (relación beneficio-
costo) y financieros que sustenten su adquisición o no.
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6.1.1 Sistema de contingencia. La SPRBUN cuenta con un sistema de
contingencia de siete grupos electrógenos destinados a la alimentación del
alumbrado de los patios y bodegas, las pequeñas cargas y el edificio
administrativo. Esto lo realiza con seis de los siete grupos electrógenos a 0.22 kV,
el 7º grupo a 0.44 kV está destinado para la alimentación del patio de
contenedores refrigerados. Estos grupos electrógenos están ubicados en los
puntos más críticos de la empresa con una potencia total de 4780 kVA
Cada grúa pórtico posee una demanda de 1500 kVA a una tensión de 13.2 kV
tomados directamente de la red de suministro.
Las grúas pórtico poseen una subestación eléctrica de 1500 kVA alimentada por
medio de una línea de media tensión a 13.2kV. No obstante a esto los equipos no
cuentan con un grupo electrógeno interno para suplir las emergencias.
Una posibilidad de suplir la demanda de potencia en los momentos de falla y
lograr poner a trabajar al menos dos grúas pórtico por medio de grupos
electrógenos es la conexión de generadores en paralelo, para este proceso se
deben tener en cuenta algunos parámetros como son:
• Tensión.
• Frecuencia.
• Secuencia de fase.
• Ángulo de fase.
6.1.1.1 Tensión. Todos los grupos electrógenos deben ser a un mismo nivel de
tensión significa que su tensión de salida debe ser 220 V o 440 V.
6.1.1.2 Frecuencia. Su frecuencia de generación debe ser ajustada a un mismo
valor 60 Hz.
55
6.1.1.3 Secuencia de fase . La secuencia de las fases debe ser la misma esto es
RR, SS, TT.
6.1.1.4 Ángulo de fase. El Ángulo de fase de todos los generadores debe ser el
mismo. Como todos los generadores son trifásicos entonces se deben ajustar a
120 grados de desfase.
La suma de los grupos electrógenos existentes a 220 V no da la potencia
suficiente para suplir la demanda de la SPRBUN por lo tanto la mejor solución es
la adquisición de nuevos grupos electrógenos a 440 V para suplir los ya
existentes.
6.2 IMPACTO DE LA CONEXIÓN DE LA TERCERA GRÚA
Si la SPRBUN decide instalar la tercera grúa pórtico en el punto que tiene
determinado tendrá que realizar antes una inversión en el refuerzo de los circuitos
afectados por la inclusión de la nueva carga. Esto significa cambiar todo el circuito
aéreo, reforzar o cambiar el circuito Bodega 4 y 6 y tendrá que aumentar el calibre
del circuito aéreo en el tramo subterráneo que llega hasta los postes en H.
Tendrá también que aumentar el calibre del conductor en el circuito principal de
alimentación que llega hasta la celda interruptor DM1-A pues todas las corrientes
de los otros circuitos estarán pasando a través de este.
De acuerdo a los análisis realizados el circuito ideal en este momento para la
conexión de la tercera grúa pórtico es el circuito Grúas Pórtico ya que este posee
un conductor MV-90 15 kV calibre 4/0 AWG - XLPE con capacidad de corriente de
295 Amp el cual en estos momentos solamente esta conduciendo 135 Amp en su
demanda máxima.
56
Con la inclusión de la carga de la nueva grúa pórtico que es de 71.4 Amp quedará
conduciendo 206.4 Amp y queda con el suficiente espacio para los arranques de
ésta.
La potencia suministrada está limitada por el nivel de tensión y por la corriente
máxima que el conductor puede resistir.
57
7. CONCLUSIONES
Es necesario realizar estudios de estabilidad con el fin de determinar los
requerimientos de futuras expansiones del sistema de potencia de la SPRBUN,
también se deben determinar los límites de operación ante posibles fallas,
contingencias y realizar los correctivos necesarios para evitar posibles
interrupciones y mala calidad en el suministro de energía.
Los ensayos de corto circuito monofásico y trifásico proporcionan los parámetros
necesarios para el cálculo del sistema de protección.
Con la investigación se identificaron las debilidades del sistema de potencia, como
lo son: el alimentador subterráneo de la subestación 10, el alimentador
subterráneo del circuito aéreo, el alimentador subterráneo de la bodega cuatro y
una vez instalada la nueva carga se debe calcular el nuevo alimentador principal
de la SPRBUN.
También se conoció la capacidad máxima disponible que es de 10.77 MVA para
la SPRBUN, quien de acuerdo a esta debe considerar su disponibilidad y la
expansión para la inclusión de nuevas cargas en su sistema de potencia.
Como la SPRBUN ha iniciado la adecuación de los patios de almacenaje de la
antigua Zona Franca y a largo plazo la inclusión de dos nuevas grúas pórticos
mas para quedar así con cinco grúas pórtico y sus terminales especializadas de
contenedores se deben realizar estudios de potencia a largo plazo para cuando
llegue este momento.
58
8. SUGERENCIAS
Se sugiere alimentar la grúa pórtico No. 3 del circuito de alimentación de las grúas
pórticos 1 y 2 ya que este proviene del circuito Sociedad Portuaria que alimenta la
Subestación 10 a través de un interruptor del barraje principal; este toma un
alimentador para un interruptor de salida hacia las celdas QM y remonte de barras
ubicadas en la esquina del cobertizo de la bodega CIAMSA, este alimentador es
en conductor calibre 4/0 AWG XLPE – 15 kV.
8.1 ALIMENTACIÓN BODEGA No. 4
Para la conexión de la grúa No. 3 en este punto se sugiere la instalación de un
alimentador en calibre 4/0 AWG XLPE – 15 kV a la bodega No. 4 alimentado
desde el circuito de la Sociedad Portuaria a través de la red aérea y el Nodo
411530, el cual baja en cable monopolar No. 1/0 AWG XLPE hacia una cámara
en el andén.
8.2 ALIMENTADOR AL BARRAJE DE LA GRÚA .
La carga a alimentar según diagrama unifilar son los dos transformadores de la
tercera grúa pórtico.
Cuadro 24. Barraje de grúas Pórtico
TRAFO RELACIÓN POTENCIA
1 13.200/575 1500
2 13.200/460-265 300
59
In = KV
KVA
2,133
1800
×Amp73.78=
I fusible = 1.5 × In = 1.5 × 66.09 = 99 Amp
El fusible normalizado será 100 Amp
La capacidad del seccionador será:
I seccionador = 6 × In = 472.38 Amp
El seccionador deberá ser de 500 Amp mínimo, recomendado 630 Amp GAM SM6
tipo QM.
Cálculo del Conductor
I conductor = In × 1.25 = 78.73 × 1.25 = 98.41 Amp
El conductor a utilizar será el No. 2/0 AWG XLPE a 15 KV y diseñado para
soportar corrientes mayores a 150 Amp a 75ª C.
Verificación de corriente de transición:
Para los fusibles de las celdas QM se deberá cumplir I de fusión = (40 ms) < I
transición = A
I de transición = 1500 A / 15 KV.
Los fusibles MM MEHANIKA de 100 Amp tiene aproximadamente 1250 Amp a 40
ms por lo tanto cumplen.
Para que las instalaciones del sistema de potencia de la SPRBUN queden en
óptimo funcionamiento se recomienda atender las siguientes sugerencias.
• Llevar todo el control del sistema de potencia a un solo punto para tener el
manejo total del mismo a través de seccionadores automáticos o celdas QM.
• Cambiar el alimentador de la subestación número 10 y la parte subterránea del
circuito aéreo de conductor calibre 4/0 AWG – XLPE forma actual a dos
60
conductores 4/0 AWG – XLPE por fase para evitar el posible colapso del
sistema, disminuyendo la resistencia del conductor y aumentando el flujo de
potencia en el circuito.
• Llevar el control del circuito aéreo en el tramo ubicado desde ALMAGRARIOS
hasta la puerta Pekín, todo a la subestación número 10. Dejando el manejo
total del sistema de potencia en un mismo punto a través de seccionadores
GAM SF6 rama QM.
• Separar o independizar el circuito alimentador del edificio administrativo del
circuito aéreo y llevarlo directamente a un seccionador en la subestación No.
10
Realizar estudios de ampliación de la subestación de control número 10 y
trasladar al personal de operarios a ésta para dirigir desde aquí el manejo del
sistema de potencia con mayor rapidez en la solución de las fallas, para este fin la
subestación debe quedar de dos niveles. De esta forma en el primer nivel
quedarían todos los seccionadores y transformadores ubicados en la subestación
número diez.
El segundo nivel sería utilizado por el personal técnico y para el almacenaje de los
materiales y equipos de repuesto.
Dar una mejor utilización a las celdas de protección QM ya que en casos como la
celda dos y tres de la subestación No. 10 se encuentran subutilizadas.
Automatizar mediante seccionadores GAM – SF6 gama QM las subestaciones de
las bodegas de Alcázar, Bomberos, Cafetería y la subestación No. 11 ya que estas
en el momento trabajan en forma mecánica.
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Montar un nuevo circuito de alimentación destinado únicamente al manejo de la
potencia de las grúas pórticos existentes y los proyectos de expansión a realizar.
Este circuito será traído desde la subestación TABOR de la Empresa de Energía
del Pacífico – EPSA, partiendo desde la salida del medidor hasta el nodo número
415335 donde está ubicada la subestación No. 10. Como este circuito es
considerado un alimentador interno la SPRBUN es libre de realizar trabajos de
ampliación para aumentar el flujo de potencia sin tener que solicitar proyectos de
ampliación al operador de red.
Eliminar todos los circuitos aéreos y llevarlos en forma subterránea atreves de
gabinetes de distribución para cada nodo
62
BIBLIOGRAFÍA Código Eléctrico Colombiano N. T. C. 2050 Primera actualización 1998-11-25. 2 ed. Santafé de Bogotá, 604. p. COMISIÓN DE REGULACIÓN DE ENERGÍA Y GAS, CREG. Leyes 142 ,143. Congreso de la República de Colombia. 11 de Julio de 1994. Santafé de Bogotá, 129 p. Estación 2. Schneider Electric Cuaderno Técnico # 079 El SF6 Características físicas y químicas. Modificación 23/09/2005. Tipo Adobe Acrobat 7.0; 1.25 MB. Alemania: Schneider Electric, 2005. 68 p. FINK, Donald G. Manual de ingeniería eléctrica 13 ed., México: McGraw -Hill, 1993. 4 v. KINGSLEY, Charles, UMANS Jr. Stephen D. Máquinas Eléctricas 5 ed. México: McGraw – Hill, 1992. 670 p. MARTÍN, José Raúl. Diseño de subestaciones eléctricas. México: McGraw - Hill, 1990. 510 p. NASAR, Syed A. Sistemas Eléctricos de Potencia. México: McGraw -Hill. 2 ed. 1990. 256 p. NEPLAN Version 5.2.4. Demo Software de Simulación. BCO By BCP Switzerland CH-8703 Erlen Bach, 1988 – 2005. Switzerland. Windows XP, 2005. 1 software. RAMÍREZ G., Carlos Felipe. Subestaciones de alta y extra alta tensión. Colombia: Cadena S.A., 1991. 971 p. Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas RETIE. Resolución No. 180398 del 7 de Abril de 2004. República de Colombia, Ministerio de Minas y Energía. Santafé de Bogotá, 2004. 190 p. SHAPMAN, Stephen. Máquinas Eléctricas. Santafé de Bogotá: McGraw - Hill, 1993. 740 p. STAFF, E. E. Circuitos Magnéticos y Transformadores M.I.T. Argentina: Editorial Reverte, 1981. 697 p. STEVENSON, W. D. Análisis de Sistemas de Potencia. México: McGraw -Hill, 2002. 398 p.