A medida que las instalaciones eléctricas como los hospitales, los complejos industriales, las estaciones de bombeo de agua, las plantas de tratamiento, generación o procesamiento de agua se expanden y se vuelven más complejas, el modelado y análisis del sistema de distribución eléctrica para operaciones seguras y confiables se vuelve vital.
Los sistemas de distribución eléctrica complejos con una gran cantidad de componentes requieren herramientas de software de sistemas de energía eléctrica inteligentes y avanzadas para modelar y evaluar diferentes escenarios operativos para comprender los posibles problemas y las peores condiciones del sistema.
Estos componentes incluyen:
- Bus de barras, cables, transformadores y cargas.
- Dispositivos de protección (es decir, disyuntor, breaker, fusible, relé, etc.).
- Variadores de frecuencia, VFD.
- Fuentes de energía renovables como la solar y la eólica.
Las simulaciones precisas de tales sistemas deben considerar que los edificios son una entidad «viva» que cambia significativamente con el tiempo:
- Las cargas aumentan.
- El equipo se reemplaza y / o actualiza.
- Las mejoras del sistema se planifican y construyen.
- Cambian las interconexiones a la red.
La planificación y operación de un sistema tan complejo requiere una variedad de estudios para garantizar la seguridad del personal y mejorar la sostenibilidad y confiabilidad del sistema. Por ello los estudios son fundamentales para la protección del equipo, el tamaño adecuado de las protecciones, el tipo de protección, la coordinación, el crecimiento futuro de la carga, la operatividad y las evaluaciones de ahorro.
Software y programas para el diseño de los sistemas de energía eléctrica
Hay numerosos software de sistemas de energía eléctrica inteligentes y avanzados disponibles, como ETAP, SKM PowerTools, EasyPower, PowerWorld, PSS E, PSCAD, CYME, Matlab, DIgSILENT, etc. Estas herramientas son capaces de construir complejos sistemas de distribución eléctrica de corriente alterna y corriente continua y realizar una variedad de estudios muy grande.
Los estudios pueden incluir flujo de carga, arranque de motores, estabilidad de voltaje, cortocircuito, coordinación de dispositivos de protección y protección de equipos, arcos eléctricos, análisis de armónicos y confiabilidad. Tales herramientas de software, como ETAP, son capaces de realizar análisis y diseño de automatización, control y monitoreo en tiempo real.
La figura 1 muestra un modelo en ETAP del sistema de distribución eléctrica de una planta de tratamiento de agua.
En cada diseño eléctrico se puede elegir y preferir utilizar una o más de estas herramientas de software en función de factores que incluyen la aplicación específica, la disponibilidad del módulo, el costo, la experiencia previa, el soporte, la capacitación del proveedor, la calidad del software, los programas de verificación y validación o la facilidad de uso.
Independientemente de la herramienta de software eléctrica que se utilice, es importante que una instalación eléctrica este modelada con un programa.
¿Por qué utilizar herramientas de software de modelado?
El uso de un modelo de distribución eléctrica de una instalación y la realización de análisis del sistema mejorarán la resistencia y confiabilidad, aumentarán la seguridad y ayudarán a los ingenieros con lo siguiente:
- Diseño y modificación de sistemas conceptuales, selección y dimensionamiento de equipos.
- Evaluación de operatividad y ahorro de costes.
- Evaluación de condiciones de sobrecarga del equipo, como transformadores, cables y otros componentes dentro del sistema.
- Determinación de la idoneidad de la protección y las características de los equipos.
- Aseguramiento de los dispositivos de protección, como fusibles, disyuntores y relés garantizando el funcionamiento de manera coordinada ante una condición de falla.
- Estimación de la energía incidente del arco eléctrico en cada equipo y recomendaciones técnicas para identificar modificaciones o cambios del sistema que reducirían la energía incidente del arco eléctrico en una ubicación particular para la seguridad del personal.
- Estimar las condiciones transitorias asociadas con el arranque de motores y evaluación de la idoneidad del sistema eléctrico para arrancar y sostener grandes cargas.
- Identificación de los riesgos para la confiabilidad del sistema como resultado de fallas del equipo o interrupciones no planificadas.
- Estimación de la distorsión armónica de corriente y voltaje dentro de un sistema eléctrico producida por equipos como variadores de frecuencia (VFD), fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), iluminación de estado sólido (LED), inversores de potencia, etc.
- Monitoreo, automatización y control del sistema en tiempo real.
- Diseñar, evaluar y analizar el impacto de las energías renovables como la fotovoltaica y la eólica.
- Escenarios hipotéticos y evaluación de futuras modificaciones.
Estudio de caso: ejemplo de modelación en software de planta de tratamiento de agua
El siguiente estudio de caso ilustra la necesidad de una herramienta de software eléctrico para modelar una instalación de tratamiento de agua, evaluar las condiciones existentes y determinar si es posible reemplazar un motor existente por uno con una potencia nominal más alta y qué otras modificaciones son necesarias para respaldar este cambio.
Esta instalación se alimenta de dos circuitos de 13,8 kilovoltios a través de un transformador de 1,500 kVA y dos generadores de respaldo en el sitio con capacidad de 750 y 1,000 kW.
La instalación es redundante N + 1, lo cual quiere decir que se alimenta desde dos fuentes. En la Figura 1 se muestra un sistema de distribución eléctrica simplificado que incluye el flujo de carga cuando se alimentan las cargas desde el alimentador del transformador «A» a 13,8 kilovoltios. Basado en la condición existente de la instalación, el voltaje del sistema, las corrientes de falla disponibles, el amperaje del equipo como el transformador de servicio (XFMR-A) y el cable-1, se puede deducir que funcionaran dentro de un rango aceptable.
Esta instalación planea actualizar y aumentar una de las cargas de motor (bomba No. 1, marcada en el plano como Pump No 1) de 200Hp a 500Hp caballos de fuerza y consecuentemente aumentar su productividad como se muestra en la Figura 2.
Figura 2
Como se mencionó anteriormente, una de las principales ventajas de tener un diseño modelado es la simplificación del cálculo, los escenarios hipotéticos y las modificaciones futuras.
Tener disponible el modelo existente agilizará el tiempo y la precisión para realizar dicha modificación y disminuirá un posible impacto al equipo de la instalación (si lo hubiera) y se puede calcular rápidamente nuevos parámetros del sistema, como la corriente de falla disponible y los voltajes del bus.
Con base en un simple cambio al modelo para reflejar esta futura modificación y volver a ejecutar los análisis de flujo de carga y cortocircuito, se obtienen varios resultados notables, como se muestra en la Figura 2:
- El transformador de servicio XFMR-A de 1.500 kVA quedo sobrecargado. El nuevo flujo de energía después de la modificación indica un transformador de capacidad de 1,742 kVA. Esto puede provocar un sobrecalentamiento del transformador y una falla posterior si se deja de 1500kVA. Por lo tanto este equipo debe aumentarse a valores nominales más altos (por ejemplo, 2000 kVA).
- Cable-1, 3-1 / C 250 kcmil, está sobrecargado y conviene modificarlo.
- Aproximadamente 1% a 2% de caída de voltaje adicional en el tablero de distribución A de 4,16 kilovoltios y el centro de control de motores 1 de 480 voltios (MCC1). Esta caída de voltaje puede ser aceptable según el rendimiento del sistema y la capacidad y las limitaciones de voltaje del equipo.
- Posible problema de amperaje de dispositivos de protección primaria y secundaria. Los amperajes y configuraciones de fusibles y breakers deben revisarse y actualizarse si es necesario.
- El motor más grande tendrá una mayor contribución de cortocircuito, en este caso aumentando de 165 a 413 amperios hasta la ubicación con falla en el tablero-A. Por lo tanto, el alimentador de esta carga, incluida su protección, debe evaluarse más a fondo.
Códigos y estándares
Los siguientes estándares son aplicables a la realización de estudios de sistemas de potencia, como el flujo de carga, cortocircuito, coordinación de dispositivos de protección, arranque de motor, análisis de armónicos, confiabilidad y arcos eléctricos.
- IEEE 241: Práctica recomendada para sistemas de energía eléctrica en edificios comerciales .
- IEEE 242: Práctica recomendada para la protección y coordinación de sistemas de energía industriales y comerciales .
- IEEE 399: Práctica recomendada para el análisis de sistemas de energía industriales y comerciales .
- IEEE 1584-2018: Guía IEEE para realizar cálculos de peligro de arco eléctrico.
- IEEE 2: Practicas recomendada de IEEE para realizar estudios de flujo de carga de sistemas eléctricos industriales y comerciales .
- IEEE 3: Practicas recomendadas de IEEE para la realización de estudios de cortocircuito de sistemas eléctricos industriales y comerciales .
- IEEE 7: Practicas recomendada por IEEE para realizar estudios y análisis de arranque de motores de sistemas de energía industriales y comerciales .
- IEEE 8: Practicas recomendada de IEEE para realizar estudios de análisis de armónicos de sistemas de energía industriales y comerciales .
- NFPA 70: Código Eléctrico Nacional .
Cualquier cambio o modificación del sistema dentro de una instalación sin contar con el modelado y análisis adecuados para evaluar el impacto general terminará con una falla costosa y puede exponer la seguridad del personal.
Es muy recomendable invertir y construir sus modelos de sistemas de distribución eléctrica, especialmente para la instalación más complejas, y realizar los análisis adecuados y necesarios para comprender su capacidad, margen disponible y áreas vulnerables para tener un sistema seguro y confiable.