INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL


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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco DEPARTAMENTO ACADEMÍCO INGENIERÍA ELÉCTRICA T E S I S. ESTUDIO COMPARATIVO DE BARRAS SÓLIDAS AISLADAS EN UNA CENTRAL HIDROELECTRICA QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA PRESENTAN: HÉCTOR ALVARADO OSORIO MIGUEL ANGEL FLORES PACHECO FRANCISCO ISRAEL RUIZ MARQUEZ ASESOR TÉCNICO: ING. VALENTINA CASTILLO LÓPEZ. ASESOR METODOLÓGICO: ING. PEDRO YEBRA MORÓN

2 Estudio Comparativo de Barras Solidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica. Página 2

3 Estudio Comparativo de Barras Solidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica. Agradecimientos. En primer lugar deseo expresar mis agradecimientos a mis padres a quien jamás encontraré la forma de agradecerles el que me hayan brindado su mano en las derrotas y logros de mi vida, haciendo de este triunfo más suyo que mío por la forma en la que guiaron mi vida con amor y energía. Por otro lado tengo muchas cosas que agradecerles a los profesores que tuve a lo largo de la carrera pues en cada etapa nos han compartido su conocimiento y pasión. Sólo ellos saben cómo introducirnos a ese mundo lleno de interrogantes de las cuales nos pedían que sacáramos nuestra propia conclusión. Siempre recordare gratamente aquel o aquellos que nos exigieron lo necesario para superar nuestras barreras e ir directo al camino de la superación. Por mi excelencia y formación profesional, gracias a su cariño, guía y apoyo. Este presente simboliza mi gratitud por toda la responsabilidad e invaluable ayuda que siempre me han proporcionado. "El hombre inteligente no es el que tiene muchas ideas, sino el que sabe sacar provecho de las pocas que tiene." Francisco Israel Ruiz Marquez. Página 3

4 ÍNDICE Introducción.... VI Planteamiento del problema.... VIII Justificación.... IX Objetivos.... XI Objetivo General... XI Objetivos particulares.... XI Capítulo I Generación de la Energía Eléctrica Centrales termoeléctricas Centrales termoeléctricas de ciclo combinado Central nuclear Centrales hidroeléctricas Energías alternas Centrales térmicas solares Centrales geotérmicas Centrales mareomotrices Centrales eólicas Elementos generales de una central hidroeléctrica Generador eléctrico Turbinas hidráulicas I

5 Turbina Pelton Turbina Francis Turbinas Kaplan Turbina tipo bulbo Transformador de potencia Transformador tipo seco para excitación Barra de fase aislada/barra sólida aislada Propiedades de la barra de fase aislada Propiedades de la barra sólida aislada Capítulo II Central Hidroeléctrica con el uso de Barras Sólidas Aisladas Demanda del periodo en el área oriental Elementos de la central hidroeléctrica Generadores Síncronos para Turbina tipo Bulbo Transformador tipo seco para Excitación de Generadores Eléctricos Transformadores de potencia Tensiones nominales Designación de terminales y secuencia de fases Características de la barra sólida aislada Aislamiento Resinas Termoplásticas II

6 Capítulo III Características particulares de la central hidroeléctrica Generador síncrono para Turbina tipo Bulbo Turbina Generador Transformadores tipo seco para excitación de generadores eléctricos Propiedades de la barra sólida aislada Diseño de barra Condiciones ambientales Transformadores de potencia de 10MVA y mayores Capítulo IV Análisis comparativo de barras sólidas aisladas y barras de fase aislada Especificaciones técnicas barras sólidas aisladas Conductor Aislamiento Construcción Seguridad Funcionamiento Conexión de barra Instalación Dimensionamiento Especificaciones técnicas de la barra de fase aislada III

7 Conductor Ducto Aislamiento Características dimensionales Carcasa Dimensiones Frecuencia, enfriamiento y temperatura Características de fabricación Estudio técnico Tabla comparativa de la barra de fase aislada y la barra solida aislada Mantenimiento de la barra de fase aislada Mantenimiento a barra sólida aislada Estudio económico Conclusión Referencias Índice de Figuras Índice de Tablas Glosario Abreviaturas Anexos IV

8 Anexo 1. Dimensiones del aluminio Anexo 2. Dimensiones del cobre V

9 Introducción. Chiapas cuenta con el sistema hidroeléctrico más importante del país, integrado por cuatro grandes presas construidas sobre el cauce del Río Grijalva: La Angostura, Chicoasén, Malpaso y Peñitas, así como por otras tres represas más pequeñas. Durante los últimos años en México no han existido centrales Hidroeléctricas con tecnología de punta, en este proyecto se utilizarán por primera vez las barras sólidas aisladas, que al ser implementadas en otros países, éstos se ven beneficiados en mantenimiento y espacio. La nueva central hidroeléctrica Chicoasén II estará en medio de las otras cuatro presas ya existentes en Chiapas, tendrá una capacidad neta de MW para satisfacer la demanda de MW en el año 2027, se divide en tres unidades, cada una con una potencia MW y con una generación media anual de 591 GWh con una vida útil de 50 años. Las barras sólidas aisladas son elementos eléctricos, que sirven como conectores para trasportar la energía eléctrica generada al transformador de potencia. Estas barras cuentan con gran resistencia contra cortocircuitos, seguridad de operación, libre de mantenimiento y una sencilla instalación debido a partes de montaje y fijación. Estos elementos eléctricos a diferencia de la barra convencional son de menor tamaño y no necesitan un mantenimiento periódico, simplemente que funcionen de manera eficiente lo cual nos da la confiabilidad de usarlas ya que esto a lo largo del tiempo demostrará los beneficios al utilizar este tipo de barras. El capítulo uno se refiere al principio básico de la centrales de generación de energía eléctrica, así como sus diferentes maneras de producirla, dependiendo de la fuente primaria VI

10 que se utilice, describiendo el funcionamiento de cada tipo de central, dandole mayor importancia a las centrales Hidroeléctricas y a sus principales elementos, así como mencionar las principales caracteristicas de la barra de fase aislada y la barra solida aislada, que son elementos de interconexión para el transporte de energia eléctrica entre el generador y el transformador de potencia. Se analiza en el capítulo dos un estudio del crecimiento de la demanda energética que se tendrá en el área oriental en el periodo , así como la especificación a detalle de los elementos principales que conforman una central Hidroeléctrica, en la que se implementará por primera vez en México el uso de barras sólidas aisladas y el generador de turbina tipo bulbo. Se mencionan en el capítulo tres las particularidades de cada elemento principal que se mencionan en el capítulo anterior, explicando: tipo, capacidad nominal, corriente, aislamiento. Se mencionan las caracteristicas y especificaciones de los materiales que se emplearan en el proyecto, describiendo graficamente la interconexion que existe entre los equipos que se utilizarán para el desarrollo del complejo hidroélectrico. En el capítulo cuatro se hará un estudio técnico comparativo de la barra de fase aislada con las barras sólidas aisladas para una adecuada selección, mencionando las características particulares de cada una de ellas. VII

11 Planteamiento del problema. Cada año México registra una demanda máxima de electricidad, donde el Centro Nacional de Control de Energía CENACE realiza estudios de flujos de potencia y de estabilidad del Sistema Eléctrico Nacional SEN, con el propósito de determinar los requerimientos de planeación, crecimiento e instalación, y tener maneras estratégicas de crear nuevas centrales de generación. Al ver la urgencia por generar al menos 4.5% más de energía eléctrica para satisfacer la demanda de la población en zona oriental, en el periodo el Sistema Eléctrico Nacional ante los nuevos retos como son el calentamiento global, el elevado costo económico del consumo de combustibles fósiles y la creciente demanda de energéticos se gesta la tendencia de construir centrales de generación con concepto sustentable y producción de energía limpia, recae en la necesidad de tener como referencia las centrales hidroeléctricas. Se instalará una central hidroeléctrica con nueva tecnología aplicada en su instalación y equipo utilizado, por lo que la conexión del generador al transformador de potencia se hará con las barras sólidas aisladas propuestas en ésta tesis. Actualmente en la interconexión del generador y el transformador de potencia, las centrales generadoras de México utilizan barras de fase aislada, que son de gran tamaño y necesitan tener un mantenimiento periódico para estar en buenas condiciones y tener un buen transporte de energía eléctrica, por tal motivo se opta por primera vez utilizar las barras sólidas aisladas, sustituyendo a las barras convencionales en base al análisis técnico económico justificado en este trabajo. VIII

12 Justificación. El presente estudio, proporcionará un estudio técnico económico entre la barra de fase aislada y las barras sólidas aisladas que ayudará y justificará la selección del mejor aislante en el momento de su selección. El complejo hidroeléctrico Grijalva se conforma por las centrales Belisario Domínguez Angostura, Manuel Moreno Torres Chicoasén, Netzahualcóyotl Malpaso y Ángel Albino Corzo Peñitas, así como por otras tres represas más pequeñas. Ante la creciente demanda de energía eléctrica de MW, en la zona oriental de México para el año 2027, se creará una nueva central hidroeléctrica con el uso barras sólidas aisladas entre el generador y el transformador de potencia, que cumpla de la mejor manera con diversos factores técnicos: confiabilidad, seguridad y continuidad con el objetivo de generar electricidad de manera eficiente. Analizando el estudio de la demanda de la nueva central hidroeléctrica, se tiene la necesidad de implementar un sistema de generación con el fin de abastecer la demanda requerida y lograr en el montaje del equipo respectivo, una reducción de espacios en la interconexión del generador y transformador principal donde se analizará la viabilidad de utilizar barras sólidas aisladas en la planta hidroeléctrica denominada Chicoasén II, sobre el cauce del río Grijalva. Las barras sólidas aisladas conceden una gran conducción de corriente en una sola barra, cuentan con una mayor flexibilidad, manipulación en operación, libre de mantenimiento, lo que conlleva a tener una mayor confiabilidad en la conexión del generador al transformador de potencia. IX

13 Gracias al tamaño y a su composición en papel impregnado en resina epóxica, las barras sólidas aisladas nos ofrecen un fácil montaje en su instalación, mostrando en diversos países como Alemania, Brasil, Suecia y Escocia, ser de gran utilidad aprovechando sus ventajas y la reducción de espacio en su instalación. X

14 Objetivos. Objetivo General. Comparar técnicamente el uso de barras sólidas aisladas y la conexión tradicional de barra de fase aislada entre el generador y el transformador de potencia. Objetivos particulares. Analizar las características de la barra sólida aislada y la convencional de barra de fase aislada. Realizar un análisis técnico-económico entre la barra de fase aislada y la barra sólida aislada. Evaluar técnica y económicamente las características de la barra sólida aislada, así como sus propiedades de aislamiento. Conclusiones técnicas como resultado del análisis. XI

15 Capítulo I Generación de la Energía Eléctrica. 1

16 La generación de energía eléctrica consiste en transformar alguna clase de energía química, cinética, térmica, etc., en energía eléctrica. La generación eléctrica se realiza, básicamente mediante un generador que dependiendo de la energía primaria que se utilice, éste convierte la energía contenida en ella en energía eléctrica. En términos sencillos, la electricidad no es otra cosa que electrones en movimiento. Así, cuando éstos se mueven entre los átomos de la materia, se crea una corriente de electricidad. Para generar la electricidad se recurre a centrales generadoras, que dependiendo de la fuente primaria a utilizar se clasifican en químicas, termoeléctricas, hidroeléctricas mareomotrices, eólicas y solares fotovoltaicos. A continuación, se mencionan las características principales de cada una de ella Centrales termoeléctricas. Emplean la combustión del carbón, petróleo o gas natural para generar la energía eléctrica. Son consideradas las centrales más económicas y rentables, por lo que su utilización está muy extendida en el mundo avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que estén siendo criticadas debido a su elevado impacto ambiental Centrales termoeléctricas de ciclo combinado. Utilizan gas natural, gasóleo o incluso carbón preparado como combustible para alimentar una turbina de gas. Se basa en dos máquinas térmicas, con dos ciclos térmicos diferentes: turbina de gas y turbina de vapor. El calor no utilizado por la turbina de gas se emplea como fuente de calor para la turbina de vapor. Si bien la mayoría de las centrales de éste tipo pueden intercambiar el combustible entre gas y diésel incluso en funcionamiento. 2

17 1.3.-Central nuclear. Se caracteriza por el empleo de combustible nuclear fisionable que mediante reacciones nucleares proporciona calor, que a su vez se emplea a través de un ciclo termodinámico convencional, para producir el movimiento de alternadores que transforman el trabajo mecánico en energía eléctrica. Estas centrales constan de uno o más reactores. La energía nuclear se caracteriza de producir una gran cantidad de energía eléctrica, así como residuos nucleares que hay que albergar en depósitos. Por otra parte, no produce contaminación atmosférica de gases, derivados de la combustión que producen el efecto invernadero Centrales hidroeléctricas. Es aquella que se utiliza para la generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía potencial del agua embalsada, en una presa situada a más alto nivel que la central. El agua se lleva por una tubería de descarga a la casa de máquinas de la central, en donde mediante turbinas hidráulicas se produce la electricidad en alternadores y la distribuye a la subestación eléctrica. En la siguiente figura se muestra un esquema general de los elementos de una central hidroeléctrica. 3

18 Figura Esquema de una central hidroeléctrica [1] Energías alternas. La fuente de energía que está en uso en todo el mundo y la cual presenta muchos problemas económicos y ambientales, es la procedente de los combustibles fósiles, el petróleo, lo cual no podemos depender de éstas fuentes de energía no renovables ya que tarde o temprano llegarán a su escasez, es por eso que una opción de uso de combustibles derivados del petróleo, es el uso de energías alternativas, las cuales se mencionan a continuación Centrales térmicas solares. Es una instalación industrial que a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para la generación de energía eléctrica como en una central térmica clásica. 4

19 En ellas es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas de 300 C a 1000 C y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas. La captación y concentración de los rayos solares se hacen por medio de espejos con orientación automática que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos más pequeños de geometría parabólica. Su principal problema medioambiental es la necesidad de grandes extensiones de territorio que dejan de ser útiles para otros usos agrícolas, forestales, etc Centrales geotérmicas. Generan electricidad a partir de la explotación de yacimientos geotermales que existen en algunos lugares del planeta. El recurso primario puede consistir en vapor, mezcla agua-vapor o agua a alta temperatura, acumulados en formaciones geológicas subterráneas a las que se accede mediante pozos perforados en la corteza terrestre con técnicas similares a las utilizadas en los procesos de extracción del petróleo. Para producir energía eléctrica desde recursos geotérmicos, ya sea depósitos subterráneos de vapor o de agua caliente, deben ser explotados de tal forma que, al salir a la superficie, el vapor hace girar las turbinas y se genere la electricidad. Típicamente, el agua se devuelve al terreno para recargar el depósito y completar el ciclo renovable de la energía. Este calor interno calienta hasta las capas de agua más profundas, al ascender el agua caliente o el vapor produce manifestaciones como los géiseres o las fuentes termales, utilizadas para calefacción desde la época de los romanos. Hoy en día, los progresos en los métodos de perforación y bombeo permiten explotar la energía geotérmica en numerosos lugares del mundo. 5

20 Para aprovechar esta energía en grandes centrales es necesario que existan yacimientos a temperaturas muy elevadas y a poca profundidad Centrales mareomotrices. Es la que se obtiene aprovechando las mareas, es decir, la diferencia de altura media de los mares según la posición relativa de la tierra y la luna, y que resulta de la atracción gravitatoria de esta última y del sol sobre las masas de agua de los mares. Mediante un acoplamiento a un alternador se puede utilizar esté sistema para la generación de electricidad, transformando así la energía mareomotriz en energía eléctrica, tiene la cualidad de ser renovable, limpia, ya que en la transformación energética no se producen subproductos contaminantes gaseosos, líquidos o sólidos. Sin embargo, la relación entre la cantidad de energía que se puede obtener con los medios actuales y el costo económico y ambiental de instalar los dispositivos para su proceso han impedido una penetración notable de este tipo de energía. El funcionamiento de una planta mareomotriz, es sencillo, cuando se eleva la marea, se abren las compuertas del dique la cual ingresa en el embalse. Después cuando llega a su nivel máximo el embalse, se cierran las compuertas para que la marea descienda por debajo del nivel del embalse alcanzando su amplitud máxima entre este y el mar se abren las compuertas dejando pasar el agua por las turbinas a través de los estrechos conductos Centrales eólicas. Es la energía obtenida a partir del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es convertida en otras formas útiles de energía para las actividades humanas. 6

21 En la actualidad, la energía eólica se utiliza principalmente para producir electricidad mediante aerogeneradores, conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica. Los parques eólicos construidos en tierra suponen una fuente de energía cada vez más barata, competitiva o incluso más barata en muchas regiones que otras fuentes de energía convencionales. Pequeñas instalaciones eólicas pueden, por ejemplo, proporcionar electricidad en regiones remotas y aisladas que no tienen acceso a la red eléctrica. Las compañías eléctricas distribuidoras adquieren cada vez en mayor medida el exceso de electricidad producido por pequeñas instalaciones eólicas domésticas. El auge de la energía eólica ha provocado también la planificación y construcción de parques eólicos marinos, situados cerca de las costas. La energía del viento es más estable y fuerte en el mar que en tierra, y los parques eólicos marinos tienen un impacto visual menor, pero los costos de construcción y mantenimiento de estos parques son considerablemente mayores. La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero, que la convierte en un tipo de energía verde. El impacto ambiental de este tipo de energía es, además generalmente menos problemático que el de otras fuentes de energía. Adicionalmente, la predicción meteorológica permite a los gestores de la red eléctrica estar preparados frente a las previsibles variaciones en la producción eólica que puedan tener lugar a corto plazo. 7

22 1.6.-Elementos generales de una central hidroeléctrica. Las centrales generadoras necesitan de diversos elementos para poder funcionar. En las hidroeléctricas unos son estáticos los cuales se engloban dentro del equipo de obra civil que son los indicados para el desvió del agua, conducirla hasta la turbina y viceversa, de igual manera otros móviles y controlables que son parte del equipamiento electromecánico. [2] Equipamiento de obra civil. Elementos de retención y almacenaje de agua. Elementos de evacuación controlada de caudales. Elementos de conducción de agua. El edificio de la central. Equipamiento electromecánico. Rejas. Elementos de apertura y cierre del paso de agua. Equipamiento hidráulico: Turbina. Multiplicador. Equipamiento eléctrico. Generador. Transformador. Interruptores. Seccionadores. 8

23 Equipamiento de control y protección. Subestación. Equipamiento auxiliar. Línea eléctrica. Los elementos principales a utilizar en esta Central hidroeléctrica que lleva por nombre Chicoasén II son los siguientes: Generador eléctrico Turbina hidráulica Transformador de potencia Barra de fase aislada/barra sólida aislada Transformador de excitación 1.7.-Generador eléctrico. El generador de C.A., o alternador, es el elemento más importante para la producción de energía eléctrica, los alternadores requieren para su operación, de la acción de una bobina cortando líneas de fuerza dentro de un campo magnético cruzado a través de ésta, siempre que exista un movimiento relativo entre la bobina y el campo se generará una tensión, las partes principales del generador se muestran en la siguiente figura. 9

24 Figura Generador eléctrico. [3] 1.8.-Turbinas hidráulicas. Para la producción de energía en una central hidroeléctrica es fundamental la existencia de una turbina hidráulica que va ser la encargada de transformar la energía cinética y potencial del agua en energía mecánica de rotación donde su primordial elemento es la rueda o rotor la cual cuenta con palas o hélices colocadas alrededor de su circunferencia con la que producen una fuerza tangencial que posteriormente hace mover el generador eléctrico, en la siguiente figura se muestra un esquema referido a la turbina y al generador con sus principales elementos. 10

25 Figura Esquema de una turbina hidráulica. [3] Las turbinas hidráulicas se clasifican en turbinas de acción y reacción. Las de acción son aquellas en las que para impulsar el rodete solo se aprovecha la velocidad del fluido, por lo que previamente se debe trasformar toda la energía de presión del flujo en energía cinética, las cuales son: Pelton, Turgo, de flujo cruzado. Las turbinas de reacción que además de aprovechar la energía cinética del fluido, absorben en el rodete la energía de presión del mismo, las cuales son: Francis, Kaplan, de hélice y tipo bulbo. La clasificación dependerá de cómo el agua ejerce la fuerza sobre la turbina y como causa su rotación. Para mayor referencia describiremos las turbinas más importantes que son: - Turbina Pelton - Turbina Francis - Turbina Kaplan - Turbina Bulbo 11

26 Turbina Pelton. Son turbinas de acción en las que la tobera o toberas transforman la energía de presión del agua en energía cinética, se usan generalmente en grandes saltos de bajo caudal: mediante inyectores se aplica el fluido a presión, y éste incide sobre las cucharas de la hélice. Consta de los siguientes elementos: Deflector Inyectores Rodete Aguja de regulación Estos elementos se representan en la siguiente figura: Figura Turbina Pelton. [4]. 12

27 Turbina Francis. Son turbinas de reacción que tienen alto rendimiento, usándose sobre todo para la producción de energía en centrales hidroeléctricas, generalmente se usan para caudales y saltos medios entre 25 y 350 metros. Son de gran utilización debido a su largo tiempo de vida y de un mantenimiento poco costoso. Tiene la ventaja de cambiar sus alabes directores dependiendo del flujo. Sus principales elementos son: Cámara espiral. Pre-distribuidor. Distribuidor. Rodete. Tubo de aspiración. El esquema de una turbina Francis se muestra en la siguiente figura 1.5. Figura Turbina Francis. [5] 13

28 Turbinas Kaplan. Son turbinas de reacción de flujo axial ya que el fluido entra y sale del rotor al mismo radio y sin variar su velocidad. Se utilizan en saltos de pequeña altura de 2 a 40 m. El ángulo de las palas es regulable y se ponen a girar al abrir las compuertas con la entrada del agua a alta presión, mientras que los de los distribuidores, pueden ser fijos o regulables por lo que se usan en lugares donde el caudal es grande y el salto del agua es constante. Existen diversos tipos de turbinas Kaplan que se clasifican a diversos criterios como son: En función a su sistema Turbinas Kaplan de doble regulación Turbinas Kaplan de simple regulación: turbinas semi kaplan y hélice. En función de que tengan o no cámara espiral Turbinas con cámara Turbinas sin cámara: Turbina Kaplan en S y tipo bulbo. Para una mayor claridad se mostrarán las siguientes figuras, la primera de la turbina Kaplan y la segunda de un esquema de una central con turbina Kaplan. Figura Turbina Kaplan. [6] 14

29 Figura Esquema de turbina tipo Kaplan. [6] Turbina tipo bulbo. Las características más importantes de las turbinas tipo bulbo es que el alternador se encuentra encerrado en un cámara de acero sumergida en al agua, la cual a su vez está apoyada sólidamente en la solera de la cámara de admisión. El distribuidor tiene forma cónica y su accionamiento es similar al de las turbinas Kaplan convencionales. El rodete de la turbina se encuentra situado en la prolongación de la punta del bulbo y suele tener un número de alabes variable entre 3 y 5, cuyo mecanismo de orientación se encuentra colocado junto al cojinete guía de la turbina. Las turbinas tipo Bulbo son parte fundamental de algunas centrales mini hidráulicas y mareomotrices, no son más que un tipo especial de turbina hélice capaces de aprovechar saltos de pequeño desnivel, pero de gran caudal. El empleo de este tipo de turbinas en centrales hidroeléctricas se debe a las condiciones de doble sentido reversibles, esto permite utilizar la turbina en forma de bomba, para bombear el agua y provocar el llenado del embalse. 15

30 La velocidad especifica de una turbina bulbo es muy alta, solapándose parcialmente con las turbinas tipo Kaplan. Su número de revoluciones es pequeño, por lo que obliga a tener un alternador con un gran número de polos, y en consecuencia un gran diámetro. Los principales elementos de una turbina tipo bulbo se muestran en la siguiente figura. Figura Turbina Bulbo. [7] Las turbinas tipo bulbo son similares a las turbinas tipo Kaplan, cambian en su condición que es de doble sentido, su flujo: ya que el de las Kaplan es axial y el de tipo bulbo radial y están encerradas en una cámara de acero. En la siguiente figura se muestra un esquema de una turbina tipo bulbo en una central hidroeléctrica. Figura Esquema de turbina tipo Bulbo. [7]. 16

31 1.9.-Transformador de potencia. Es el elemento fundamental de una subestación de potencia que tiene como objetivo transformar o cambiar el nivel de tensión de la potencia instalada. Los valores establecidos de nivel de tensión en transmisión son los siguientes 400/115, 400/230, 230/115, los de subtransmisión y los valores de tensión para su uso comercial y doméstico son 13800/ V. Se utiliza en las centrales generadoras, subestaciones transformadoras y para los grandes usuarios. Generalmente se construyen con un núcleo que tiene tres piernas o columnas, sobre cada una de las cuales se encuentran dispuestos los devanados primarios y secundarios de la misma fase. La conexión de los devanados se realiza en un arreglo delta o estrella. [8] En la siguiente figura 1.10 se muestra esquema de un transformador de potencia: Figura Transformador de potencia. [9]. 17

32 Transformador tipo seco para excitación. Es un dispositivo que trasfiere la potencia de un circuito a otro diferente en distintos niveles de tensión, la excitación o alimentación no es más que la fuente de corriente con la cual se genera el flujo del circuito Barra de fase aislada/barra sólida aislada. La conexión del generador al transformador de potencia se hace mediante la conexión de conductores. Estos conductores se denominan barras de fase, y cuando la potencia que se transporta es grande, se utilizan barras de fase aislada o las barras sólidas aisladas, en la figura 1.11 se muestra la conexión del generador al transformador de elevador. Figura Esquema de interconexión entre el generador central generadora con barras sólidas aislada Propiedades de la barra de fase aislada. Una barra de fase aislada está construida con un conductor de sección adecuado para conducir la corriente nominal, rodeado de una cubierta cilíndrica continua que soporta a cierta distancia los aisladores que sujetan al conductor. 18

33 El sistema de barra de fase aislada consta de tres conductores de aluminio que están montados sobre aisladores apoyados en la cubierta, que también son de aluminio como se muestran en la figura Figura Sistema de barra de fase aislada. [10]. Figura Dimensiones de la barra de fase aislada. La figura anterior muestra las dimensiones de una barra solida aislada la cual es utilizada para trasportar la energía que transmite el generador al transformador de potencia. El transformador de excitación y el transformador de servicios auxiliares también se conectan con barras de fase aislada, éstas son el medio más económico y seguro de transportar grandes intensidades de corriente como ocurre entre el generador y el transformador de potencia. 19

34 Propiedades de la barra sólida aislada. El sistema de barras sólidas aisladas son elementos eléctricos que nos ayudan a la conducción de altas intensidades de corriente y debido al equipo utilizado nos proporciona gran ahorro de espacio en su instalación. El aislamiento de las barras está constituido con papel impregnado en resina epóxica (RIP), el cual esta enrollado alrededor del conductor ya sea de aluminio o de cobre. En la figura 1.14 se puede observar la trayectoria de instalación de la barra sólida aislada mientras que en la figura 1.15 se puede observar las dimensiones de la barra, en la figura 1.16 se observa el sistema de la barra sólida aislada. Figura Barras sólidas aisladas. [11]. Figura Dimensiones de la barra sólida aislada. 20

35 Figura Sistema de barra sólida aislada. 21

36 Capítulo II Central Hidroeléctrica con el uso de Barras Sólidas Aisladas. 22

37 2.1.- Demanda del periodo en el área oriental. Debido a los estudios que realiza el Centro Nacional de Control y Energía CENACE y el mercado de desarrollo eléctrico DME sobre la demanda de energía eléctrica en el país, se pretende crear una central hidroeléctrica en el área oriental de México, con una nueva tecnología de barras sólidas aisladas y generadores con turbinas tipo bulbo, esto con el objetivo de afrontar el crecimiento de la demanda, que se espera tener en el periodo El área oriental se representa con la siguiente figura: Cobertura Geográfica área Oriental Figura Estados de la zona oriental. La cobertura del área oriental incluye las entidades federativas de Oaxaca, Chiapas, Tabasco, Veracruz, Puebla, Tlaxcala, Guerrero, Morelos (excepto Cuernavaca) y la Zona Huejutla en el Estado de Hidalgo. Atiende a 31 zonas de distribución y una zona de exportación a Guatemala. 23

38 Demanda Máxima (MW) Energía Bruta (GWh) Instituto Politécnico Nacional. En la figura siguiente se presenta una tabla del estudio de la Demanda Máxima y Consumo Bruto que se genera en la zona oriental del año Año / Concepto Demanda Máxima (MW) Energía Bruta (GWh) ,786 38, ,181 39, ,071 39, ,375 40, ,633 42, ,655 44, ,133 46, ,355 47, ,576 49, ,797 50, ,056 51, ,418 53, ,823 56, ,270 59, ,804 62, ,331 65, ,883 68, ,433 72, ,077 76, ,714 80, ,383 84,490 tmca (%) ,000 14,000 12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 2, ,000 98,000 84,000 70,000 56,000 42,000 28,000 14,000 0 Figura Demanda máxima y consumo bruto. De acuerdo al estudio que realizó el desarrollo del mercado eléctrico (DME), en el año se presentó una demanda máxima de MW, y un consumo bruto de GWh, para el año 2027 se espera el crecimiento de una demanda máxima de 4.5% correspondiente a MW y 4.3% en el consumo bruto equivalente a GWh pertenecientes al área oriental, este proyecto de una nueva central hidroeléctrica pretende adecuar el suministro a la creciente demanda, con lo cual la central tendrá una capacidad neta de MW con una generación media anual de 591 GWh, por lo que deberá satisfacer la demanda en ese año. Observando las siguientes gráficas en la figura 2.3, el consumo final que presenta el crecimiento energético del área oriental en el periodo es de GWh. 24

39 Exportación 1% 74,918 GWh Gran Industria 24% Exportación Residencial 31% Gran Industria 22% 1% 35,740 GWh Residencial 32% Comercial 8% Empresa Mediana 29% Bombeo Agrícola 2% Servicios 5% Empresa Mediana 30% Bombeo Agrícola 2% Servicios 5% Comercial 8% Figura Participación por sector al consumo final en el área oriental En el periodo hubo tres variaciones generales respecto al consumo final, la primera fue en el año 2012 en el sector de la gran industria, tuvo una demanda energética de GWh que corresponde al 24 % y se prevé que en el año 2027 se tenga una demanda de GWh correspondiente al 22% teniendo un decremento del 2 % de consumo energético. La segunda variación fue en el sector de empresa mediana ya que en el 2012 presentó una demanda energética de GWh correspondiente al 29 % y se prevé que en el año 2027 se tenga una demanda de GWh correspondiente al 30 % teniendo un incremento del 1 % de consumo energético. La última variación fue en el sector residencial ya que en el 2012 presentó una demanda energética del GWh correspondiente al 31% y se prevé que en el año se tenga una demanda energética de GWh correspondiente al 32% obteniendo un aumento del 1% de consumo energético. 25

40 La siguiente tabla nos indica las variaciones de cada sector del año 2012 al 2027 en GWh. Tabla Consumo final del área oriental (GWh) Tasa de Crecimiento: Demanda Año 2012: Demanda Año 2027: GWh GWh En la siguiente ecuación se muestra el desarrollo de la fórmula de la tasa de crecimiento anual de la demanda energética que se espera obtener para el año Tasa de crecimiento anual de la demanda energética en la zona oriental: Valor inicial: Valor final: El crecimiento anual en % es igual a: Valor final Valor inicial X 100% Valor inicial Calculo de crecimiento a lo largo de varios años: Valor inicial (VI): en el año 2012 Valor final (VF): para el año

41 Tiempo que existe entre el 2012 y = 15 La fórmula para obtener la tasa de crecimiento se deriva de la siguiente ecuación. [( VF 1 Y VI ) 1] X100 De donde Y= 15 sustituyendo valores: [( ) 1] X100 Despejando la ecuación queda de la siguiente manera: 15 T. Cr. = X100 = % (1) Por lo que el porcentaje de crecimiento energético que se espera tener en el periodo , se obtiene de los valores de la tabla 2.1. Para el cálculo de la tasa de crecimiento se necesita el valor inicial ( GWh) y valor final de crecimiento ( GWh), el 15 representa los años que se quieren calcular para obtener la tasa de crecimiento, el (-1) es una constante, se obtendrá un resultado en decimales y solo multiplica por 100 para obtenerlo en porcentaje Elementos de la central hidroeléctrica. Para abastecer esa supuesta demanda en el periodo se creará una central hidroeléctrica con nueva tecnología en las turbinas del generador y en la interconexión del generador al transformador, por lo cual mencionaremos los elementos que intervienen en la 27

42 generación de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas, la cual se basa en la especificación determinada por la CFE y los diferentes organismos que esta se basa para realizar la especificación de los diferentes equipos utilizados. Los cuales son los siguientes: Generadores síncronos para turbina tipo bulbo. Transformador tipo seco para excitación de generadores eléctricos. Barras sólidas aisladas. Transformadores de potencia de 10 MVA y mayores Generadores Síncronos para Turbina tipo Bulbo. Tratando de aprovechar la tecnología de punta desarrollada y probada a la fecha, se encontró que las turbinas Bulbo tienen un rodete más pequeño, lo que implica una menor excavación en el área del tubo de succión donde su eje se encuentra montado horizontalmente confirmando en este proyecto las turbinas tipo bulbo. El proyecto tendrá tres generadores con turbinas tipo bulbo con una potencia instalable de MW siendo instaladas por primera vez en México las cuales producirán una generación media anual de 591 GWh. Debemos tener en cuenta los siguientes datos para una buena selección de generador: Velocidad de generador. Frecuencia. Número de polos. Tensión nominal. 28

43 Capacidad nominal. Factor de potencia. Nivel básico de impulso Transformador tipo seco para Excitación de Generadores Eléctricos. Es un dispositivo que transfiere la potencia eléctrica de un circuito a otro diferente en diferentes niveles de tensión. El funcionamiento del transformador es basado en la transferencia de energía eléctrica por inducción de un devanado a otro. Los transformadores secos no contaminan y no corren riesgos de incendio, su empleo es recomendable en edificios de oficinas, hospitales, hoteles, centros comerciales y plantas con procesos industriales. Debemos tener en cuenta los siguientes datos para una buena selección del transformador tipo seco: Clase de aislamiento. Tensión primaria. Tensión secundaria. Temperatura. Tipo de conexión. Corriente de carga. Secuencia y rotación de fases. 29

44 2.5.-Transformadores de potencia. La capacidad en kva en cada uno de los devanados del transformador se especifica en las características generales y deben cumplir preferentemente con la norma NMX-J-284. [12] Los transformadores de potencia son especialmente para servicio intemperie o subterráneo, sumergidos en aceite. Los transformadores tienen varios sistemas de enfriamiento los cuales son: ONAN: Auto enfriado. ONAN/ONAF: Auto enfriado y enfriado por aire forzado. ONAN/ONAF/ONAF: Auto enfriado y con dos pasos de enfriamiento por aire forzado. ONAN/OFAF: Auto enfriado y enfriado por aire y aceite forzado. ONAN/OFAF/OFAF: Auto enfriado y con dos pasos de enfriamiento por aire y aceite forzado. OFWN: Enfriado por agua y aceite forzado. El número de fases de los transformadores pueden ser de uno o tres. La frecuencia nominal de operación es de 60 Hz. Los transformadores deben de ser diseñados para operar de la mejor manera de acuerdo a la zona climática que vaya a trabajar en periodos continuos de 24 horas. En una zona normal la temperatura ambiente máxima a trabajar es de 40 ºC y la temperatura ambiente promedio es de 30 ºC. En una zona cálida la temperatura ambiente máxima a trabajar es de 45 ºC y la temperatura ambiente promedio es de 35 ºC donde sus aislamientos deben de operar de una forma continua y deben de soportar una temperatura máxima de 65 ºC. 30

45 Tensiones nominales. Las tensiones nominales, así como las tensiones de las derivaciones deben estar completamente basadas en la relación de vueltas del transformador lo que significa que las tensiones nominales se deben medir en vacío de un devanado con respecto a otro y deben de estar de acuerdo con la norma NMX-J Designación de terminales y secuencia de fases. La rotación de las fases debe ser A, B, C correspondiente a las terminales H1, H2, H3, X1, X2, X3, Y1, Y2, Y3, y esto de acuerdo a lo establecido con la norma NMX-J-284. [12] Debemos tener en cuenta los siguientes datos para una buena selección del transformador de potencia: Sistema de enfriamiento. Frecuencia nominal. Lugar de aplicación. Temperatura. Tensión nominal. Tipo de conexión. Designación de terminales y secuencia de fases. 31

46 2.6.- Características de la barra sólida aislada. Las barras sólidas aisladas a diferencia de las barras de fase aislada son de menor tamaño, su sistema es compacto debido al aislamiento de papel impregnado en resina epóxica el cual está colocado directamente al conductor. El conductor deberá ser de aluminio cilíndrico o tubo de cobre, en la figura 2.4 podemos observar el conductor y el aislamiento. En el siguiente listado se muestran las características eléctricas de la barra. Tensión nominal 13.8 kv. Corriente nominal A. Corriente de corto circuito 55 ka. Temperatura ambiente máxima C. Temperatura ambiente mínima -40 C. Frecuencia 60 Hz. Figura Aislamiento de la barra sólida. Para controlar el campo eléctrico se deben de usar capas de graduación conductoras ensambladas en el aislamiento. Lleva una capa de puesta a tierra la cual no debe de ser menor a 32

47 50 mm 2 y pueda soportar un corto circuito interno de 8 ka y proveer una protección completa garantizando la más alta seguridad. [13] tierra. En la figura 2.5 se puede observar más claro las capas de graduación y la capa de puesta a Figura Capas de la barra sólida aislada. El aislamiento de la barra sólida aislada está cubierto por un tubo corrugado ya sea de poliamida o tubo de aluminio que deben de ser lo bastante resistente a los rayos ultravioletas, a la humedad y en todo caso a cualquier situación climatológica aptos para ser lo suficientemente seguros a largo plazo, en cada terminal de un tramo de barra lleva un conector plano en el cual se interconectan las barras por medio de coples. No se aceptan espacios de aire entre el aislamiento interior y el tubo de protección exterior como se ilustra en la figura 2.6. Figura Tubo de protección de la barra sólida aislada. 33

48 Las barras sólidas aisladas son fabricadas en tramos rectos con una longitud máxima de hasta 10 metros, lo anterior obedece a factores como la versatilidad durante el proceso de transporte, almacenamiento y montaje, en la figura 2.7 se puede observar los tramos de la barra sólida aislada, las trayectorias y lo accesible que es la barra a la hora de ser montada. Figura Trayectorias de la barra sólida aislada. Las barras individuales deben ser acopladas en sitio y los acoplamientos deben de ser flexibles para absorber las dilataciones térmicas durante la operación. La temperatura ambiente de operación debe ser desde 0 a 40 C. [13] son: Para seleccionar con mayor certeza las barras se necesita conocer varios aspectos los cuales Tensión nominal. Frecuencia. Lugar de aplicación. 34

49 Corriente nominal. Numero de coples a utilizar por fase. Aislamiento. Tipo de la barra. Estos factores se consideran en el ejemplo de selección ilustrado en la página 64 de este trabajo Aislamiento. El aislamiento de un conductor eléctrico está conformado por un material con escasa capacidad de conducción eléctrica, es utilizado para separar conductores eléctricos evitando un cortocircuito y así evitar que el usuario sufra una descarga contra cualquier parte adyacente a la instalación. Los más utilizados son los materiales plásticos y las cerámicas. Los materiales aislantes son clasificados de la siguiente manera; Aislantes solidos Aislantes líquidos. Aislantes gaseosos. Algunos materiales empleados como aislamiento son los siguientes: Porcelana. Vidrio. Papel. Aceite. 35

50 Aire. Resina. Madera. Cerámica. Hule. Resina epóxica. Hexafloruro de azufre. Porcelana: está constituida, esencialmente, con caolín y cuarzo de primera calidad. Para su empleo en aisladores debe de ser de estructura homogénea. Los aisladores se cuecen a1400 C y después se recubren de una capa de esmalte de silicato, recociéndose posteriormente para obtener un vidriado en caliente que los hace impermeables al agua y, además, los hace resbaladizos, dificultando de esta forma la adherencia de la humedad y el polvo. Porcelana de proceso húmedo: La porcelana eléctrica es un producto cerámico fabricado con materiales de tal naturaleza y sometido durante la cocción a unas temperaturas tales, que permitan obtener un material vitrificado, no poroso sin necesidad de recubrimientos o esmaltes para lograr su total impermeabilidad. Vidrio: se fabrica fundiendo a temperaturas entre C y C, una mezcla de ácido silícico con óxidos de Ca, Na, Ba, Al, etc Por su composición, se le utiliza como material aislante para diversas aplicaciones. El vidrio utilizado en los aisladores es un vidrio cálcico alcalino, obtenido por un procedimiento especial mediante enfriamiento brusco por medio de una corriente de aire frio durante el proceso de fusión, de esta forma se obtiene un vidrio duro, de elevada resistencia mecánica y con buena estabilidad para los cambios de temperatura. 36

51 Tiene color verde oscuro característico, aunque es un material más barato que la porcelana, tiene el gran inconveniente de que su coeficiente de dilatación es muy grande por lo que resulta comparativamente muy afectado por los cambios de temperatura. [14] Papel: es uno de los materiales más usados como aislante o dieléctrico, su importancia se deriva de sus notables cualidades intrínsecas y su bajo precio, su principal desventaja reside en que generalmente, debe ser impregnado. En cables, las ventajas que ofrece son: temperatura de trabajo relativamente elevada, las bajas pérdidas dieléctricas y la alta rigidez dieléctrica. Se pueden utilizar: Simplemente secados: están aislados así los cables bajo plomo empleados en las líneas telefónicas. Impregnados: con aceite mineral y colofonia, y protegido con vaina de plomo, generalmente usados para la distribución de energía eléctrica en mediana y baja tensión. [16] Aceite mineral: Cuerpos grasos derivados del petróleo. Los aceites para ser empleados como aislantes deben ser depurados de las sustancias que hacen disminuir su resistencia de aislamiento y rigidez dieléctrica y aumentar el factor de potencia, sustancias que, por otra parte son químicamente alterables y corrosivas. Aceite sintético: A este grupo de aceites aislantes pertenecen algunos hidrocarburos clorados, como los clorodifenilos y los clorobencenos, que pueden sustituir a los aceites minerales como dieléctricos en los condensadores de papel y en los transformadores. 37

52 A su notable estabilidad térmica y química se añade su poca inflamabilidad y la ventaja de ser más estables contra la oxidación y la de no dar lugar bajo la acción del arco a productos inflamables o explosivos Aceite vegetal: Estos aceites están constituidos por distintos ácidos orgánicos; los glicéridos, derivados de algunos de estos ácidos (como el linoleico, de aceite de linaza semilla del lino, y el oleosteárico, del aceite de madera chino), poseen pronunciadas propiedades secantes. [14,15] La película obtenida por el secado de una capa de aceite está constituida por una sustancia elástica y gomosa que se endurece con el tiempo, llamada linocina en el caso del aceite de linaza. El aceite de linaza debe ser claro, con densidad, número de yodo y acidez bien determinada y no debe dejar residuos cuando se calienta a más de 300 ºC Resinas Termoplásticas. Bajo la acción de la presión y la temperatura asumen la forma deseada, pero no alcanzan un estado de endurecimiento irreversible. Durante el estampado se obtiene solo el fenómeno físico de la fusión, por lo tanto, para endurecer el material estampado y retirar el mismo del molde debe estar completamente frío. Algunas resinas termoplásticas son: Polietileno: El polietileno se obtiene por la polimerización del gas etileno a la temperatura de 200 ºC y muy elevada presión. Es un material flexible, algo elástico, semiopalino, empleado especialmente en la construcción de cables y líneas bifilares. A 115 ºC el material pasa a ser completamente pastoso; si se enfría rápidamente, resulta mucho más flexible. Es muy resistente a las deformaciones y a las grietas hasta los 70 ºC. 38

53 Políestireno: En base a la especificación (CFE D ) el polietileno una resina dura, amorfa, transparente, que a 100 ºC se transforma en blanda y elástica como el caucho, la cual es empleada como recubrimiento anticorrosivo. Sus excelentes cualidades eléctricas son debidas a no tener una estructura molecular polar. Es soluble en benceno, constituyendo un barniz adecuado para las bobinas. A veces se le agrega un relleno como polvo de mica o de sílice, que hace aumentar el valor de la constante dieléctrica y la temperatura de reblandecimiento; generalmente las piezas moldeadas tienen una transparencia similar al vidrio. Polivinilo: Esta resina, obtenida por polimerización de polivinilo (polímero obtenido a partir del cloruro y del acetato de vinilo), tiene un aspecto y consistencia similar al cuero. Es soluble en bencina; la máxima temperatura a la que puede someterse sin deformarse es de 60 ºC. Sus características eléctricas son inferiores debido a que sus moléculas son polares. Estas resinas se indican mediante la sigla PVC. Resinas Acrílicas: Hay otros tipos de resinas derivadas del vinilo, con características muy útiles para aplicaciones especiales. Son las resinas acrílicas (metacrilato de polimetilo), producto perfectamente transparente, con aspecto de vidrio. Esta resina se encuentra en el comercio bajo la forma de planchas o barras que pueden ser moldeadas a la temperatura de 170 ºC, presentan buenas características eléctricas, una notable resistencia al arco eléctrico y no se agrietan con el tiempo. [15] Madera: Es un material duro y resistente el cual se produce mediante la tala de árboles, este material sirve como aislante. 39

54 Cerámica: Es un material formado por feldespato, arcilla y cuarzo que presentan una elevada constante dieléctrica con un bajo factor de perdidas, sin tener una composición química o microestructura especial. Hule: La gran difusión del caucho como aislante eléctrico se debe a la combinación de sus buenas cualidades dieléctricas y mecánicas para usos corrientes, con características peculiares como la flexibilidad, la posibilidad de soportar notables deformaciones sin romperse. Resina epóxica: Es un polímero termoestable, en base a la especificación (CFE D ) la resina epóxica es un material que se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o endurecedor. Las resinas epóxicas más frecuentes son producto de una reacción entre bisfenola y la epiclorohidrina, el bisfenol A se obtiene de fenol y acetona. Hexafloruro de azufre: Es un compuesto orgánico que en condiciones normales de presión y temperatura es incoloro, inodoro, no tóxico y no inflamable, con la peculiaridad de ser cinco veces más pesado que el aire. Es un gas de elevada constante dieléctrica (muy aislante), por lo que se usa habitualmente como aislante en equipos de interrupción e interconexión especialmente en sistemas de alta tensión, que en el medio eléctrico se conocen como subestaciones en SF6. 40

55 Capítulo III Características particulares de la central hidroeléctrica. 41

56 El siguiente capítulo describe las particularidades del equipo asociado a utilizar en la nueva central hidroeléctrica que constan de tres unidades generadoras, en el cual nos enfocaremos solo a una unidad debido a que son similares los elementos, donde cada uno cuenta con un generador con turbina tipo bulbo, un transformador tipo seco para la excitación del generador eléctrico, barras sólidas aisladas y un transformador de potencia. De manera simple se muestran los elementos en la siguiente figura: Figura Elementos principales de una central hidroeléctrica. [16]. 42

57 3.1.- Generador síncrono para Turbina tipo Bulbo. Como se aludió en un principio se utilizará por primera vez en México el uso de turbinas tipo bulbo, con el objetivo de obtener energía eléctrica en el área de generación, para abastecer la demanda que se tiene pronosticada en la zona oriental en el periodo , consultando la implementación de este tipo de turbinas en otros países Chicoasén II requiere el uso de este tipo de turbinas debido a su forma de montaje y a la disposición de espacios disponibles Turbina. La instalación de dicha central será exterior, contará con tres unidades las cuales tendrán una capacidad de MVA y sus turbinas tipo bulbo tendrán una caída neta de diseño de m con una potencia de MW y una caída neta máxima de metros con una potencia máxima entre dos unidades de 49 MW por unidad. Se muestra un esquema detallado de la turbina tipo bulbo en la siguiente figura. Figura Esquema de una turbina tipo Bulbo. [17]. 43

58 Generador. La velocidad de los generadores será de 100 RPM con una frecuencia de 60 Hz. Tendrán 72 polos, una tensión nominal de 13.8 kv, una capacidad nominal de MVA, un factor de potencia nominal de 0.95 atrasado y nivel básico de aislamiento al impulso por rayo en devanados del estator es de 110 kv bajo la normatividad vigente NOM-01-SEDE-2012 en el artículo 445 establece los requisitos fundamentales que se deben tomar en cuenta para la selección de un generador eléctrico Transformadores tipo seco para excitación de generadores eléctricos. Este tipo de transformadores secos son idóneos para autoexcitación porque pueden ser ubicados cerca del punto de utilización de la potencia lo cual permitirá optimizar el sistema de diseño minimizando los circuitos de baja tensión y alta intensidad con los correspondientes ahorros en pérdidas y conexiones de baja tensión. Los transformadores secos son seguros, proporcionan un excelente comportamiento a los cortocircuitos y robustez mecánica, sin peligro de fugas de ningún tipo de líquidos, sin peligro de fuego o explosión y son apropiados para aplicaciones interiores o exteriores. Estos transformadores van a excitar a los generadores ya que por lo mencionado antes son ideales para estas aplicaciones. La central hidroeléctrica va a tener diferentes puntos de entrada de corriente tanto por las subestaciones propias de la central como por las líneas que vienen de otras centrales. Los transformadores de tipo seco están diseñados a prueba de humedad y son adecuados para funcionar en ambientes húmedos o muy contaminados. 44

59 Para cada unidad generadora, habrá un transformador de servicios auxiliares y otro para la excitación teniendo en el lado de media tensión 13.8 kv donde van conectadas las barras sólidas aisladas y del lado de baja tensión será 0.48 kv Propiedades de la barra sólida aislada. El complejo hidroeléctrico optó por la nueva tecnología de punta con el uso de estas barras, ya que su uso en las centrales generadoras ha dejado buenos resultados por su facilidad de instalación, la cual utiliza diferentes tipos de accesorios. Nos brindan seguridad y calidad en la conducción de altas magnitudes de corriente, reducción de espacio en los sistemas de potencia debido a que su construcción es compacta ya utilizando el espacio necesario para lo requerido. La tensión nominal de las barras sólidas aisladas es de 13.8 kv a estás se les aplica una prueba de tensión, dependiendo del clima se les aplicará la diferencia de potencial necesaria, para lugares secos se les aplica 36 kv en un minuto y en lugares húmedos 24 kv en 10 segundos. Su nivel básico de aislamiento al impulso de rayo es de 95 kv. La corriente nominal de la barra del generador al transformador principal será de A, la que se obtiene de la siguiente formula: I = P(kVA) 3(kV) I = (84210x103 ) = A. (2) 3(13.8x10 3 ) 45

60 Dónde: I: Corriente nominal de la barra (A) P: potencia suministrada del generador (VA). V: tensión aplicada del generador (V). Contando con una derivación de la barra al transformador de excitación y al transformador de servicios auxiliares, en la siguiente figura se muestra el esquema eléctrico de los elementos principales de Chicoasén II. Figura Elementos de interconexión con barras sólidas aisladas. Considerando la ubicación del generador, el trasformador de excitación, el transformador de servicios auxiliares y el transformador elevador, al usar barra sólida aislada se hará la interconexión mediante bridas de fijación recubiertas con una capa aislante. 46

61 Esta propuesta se desarrolla en la parte del estudio técnico y económico en donde se cuantifica esta posibilidad. 1. Del generador al transformador principal se tiene una longitud de 40 metros por lo que se utilizaran 4 coples por fase. Figura Interconexión del generador y del trasformador principal con barras sólidas aisladas. 47

62 2. La derivación a los transformadores auxiliares será de 10 metros donde se utilizarán 3 coples por fase. Figura Interconexión del generador, trasformador principal y transformador de servicios auxiliares con barras sólidas aisladas. 48

63 3.-Por último, la derivación al transformador de excitación será de 8 metros donde se utilizarán 3 coples para interconectar los tramos de las barras y así conectar el generador en el transformador de potencia. Figura Interconexión del generador, trasformador principal y transformador de excitación con barras sólidas aisladas. 49

64 Diseño de barra. Las barras serán de aluminio con un aislamiento impregnado en resina epóxica de tipo exterior e interior, la corriente nominal que va circular por dicho conductor es de A Condiciones ambientales. La temperatura media máxima de las barras será de C, la temperatura media mínima mensual de17.56 C y la Temperatura media mensual de C, esto debido a su diseño de fabricación y basado en la norma IEC Transformadores de potencia de 10MVA y mayores. El transformador de potencia es el encargado en modificar la potencia eléctrica de corriente alterna, con un determinado valor de tensión y corriente en otra potencia. Este transformador trifásico tendrá la capacidad de MVA. El devanado de baja tensión es de 13.8 kv, el devanado de alta tensión será 400 kv. Su conexión será delta estrella con neutro sólidamente aterrizado y tendrá un enfriamiento ONAN/ONAF/ONAF. Los transformadores de potencial estarán con una temperatura media máxima mensual de 38.98ºC, una temperatura media mínima mensual de ºC y una temperatura media mensual: ºC. 50

65 Capítulo IV Análisis comparativo de barras sólidas aisladas y barras de fase aislada. 51

66 Estudio Comparativo de Barras Sólidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica. El estudio se realizó con la finalidad de hacer una comparación técnica de la barra de fase aislada con las barras sólidas aisladas, de esta manera se tendrá una mejor visualización de que barra será de mayor utilidad de acuerdo a sus características de operación, tomando en cuenta la demanda y principalmente las condiciones del lugar, debido a que las barras sólidas aisladas comúnmente se utilizan para mini centrales y las barras de fase aislada para centrales de mayor capacidad Especificaciones técnicas barras sólidas aisladas Conductor El conductor es un compuesto de aleación de aluminio cilíndrico o de un cobre electrolítico que otorga mejores condiciones de conductividad. El aislamiento está en el propio conductor y consiste en papel impregnado en resina epóxica Aislamiento. El aislamiento con resina epóxica está constituido comúnmente por dos componentes que se mezclan previamente antes de ser usados; al mezclarse reaccionan causando la solidificación de la resina, su mezcla se realiza a temperatura ambiente, durante ese enlace hace que su peso molecular sea elevado. En la tabla 4.1 se muestran las características físicas y eléctricas de la resina epóxica en base a la norma ASTM-D

67 Estudio Comparativo de Barras Sólidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica. Material Tabla Características de la resina epóxica. Características generales. Resina epóxica Características físicas. Peso especifico gm/cm 3 a 25 ºC Coeficiente de dilatación térmica 0.08 mm/(mºc) Características eléctricas. Resistencia de aislamiento 95 kv Rigidez dieléctrica 20 kw/mm Los principales beneficios del uso de las barras sólidas aisladas, es la de reducir el costo de montaje ya que, al instalarse, se utiliza menor herramienta en su instalación y estructura, teniendo un ahorro significativo en mano de obra y tiempos de instalación del equipo. Hoy en día la filosofía de generación de energía eléctrica es la de cuidar al medio ambiente, usando innovaciones en la generación de energía con un concepto sustentable, como el uso de las barras sólidas aisladas, el uso de turbina tipo bulbo, entre otros elementos, así como también el ahorrar en espacios y disminuir el uso de maquinaria pesada para la manipulación del equipo. Las barras sólidas aisladas se encuentran en camadas graduales de conductores las cuales son intercaladas durante el montaje. Cuenta con una capa de puesta a tierra que se inserta en el aislante. La superficie de los aisladores es cubierta con un tubo protector, este tubo garantiza una efectiva barrera contra la entrada de humedad. Las barras son producidas en secciones de hasta 10 metros. Para distancias más largas o lugares con espacio limitado se pueden ensamblar varios tramos de barras, utilizando pequeñas piezas o herrajes con los que es posible el ensamble de las barras sólidas aisladas, las conexiones son hechas en campo. Las barras son hechas de acuerdo al proyecto del cliente y su instalación consiste principalmente en la facilidad de montaje de las piezas normalizadas, tienen alta 53

68 Estudio Comparativo de Barras Sólidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica. resistencia mecánica a los cortocircuitos, son libres de descargas parciales y probadas en fábrica. Los datos eléctricos como capacidad nominal, corriente de carga y su temperatura son determinantes para el correcto dimensionamiento de las barras. Los conductores pueden ser de cobre o aluminio de alta conductividad. De acuerdo con la norma IEC 60137, la temperatura de la superficie no puede exceder los 70 C y está basada en una temperatura ambiente máxima de 40 C. Por ello, si la temperatura ambiente excede de 40 C, es importante que esto se establezca en la especificación. La tensión nominal determinará la cantidad de material aislante utilizado. Gracias a su tubo anillado externo, que representa la mejor forma de protección contra humedad, hongos y también protección mecánica contra choques y agentes ambientales, pueden ser instaladas tanto en intemperie como en interior sin presentar problemas, en la figura 4.1 se puede observar el conductor y el tubo anillado de la barra. Solamente en el caso de conexión con aislamiento en aire, la distancia de arco debe llevar una protección de aislador de silicona o caja de terminales adecuada. Figura Barra solida aislada. 54

69 Estudio Comparativo de Barras Sólidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica Construcción. Los beneficios específicos usando barras sólidas aisladas son: Construcción compacta. Espacio reducido necesario para su instalación. Radio de curvatura pequeño. Forma geométrica tridimensional posible. Refrigeración natural debido al eficaz diseño de los conductores. Alta seguridad y fiabilidad operacionales gracias a los ensayos de rutina realizados en fábrica de cada barra. Sin mantenimiento Seguridad. Sistema totalmente aislado. Gran resistencia térmica. Alta resistencia a cortocircuitos. Excluidos cortos circuitos entre las fases. No producen gases tóxicos en caso de incendio Funcionamiento. Están construidas en resina epóxica, la cual se enrolla alrededor del conductor ya sea de cobre o aluminio según el caso. 55

70 Estudio Comparativo de Barras Sólidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica. Esto se traduce en un aislamiento sin huecos, libre de descargas parciales, para evitar la descarga parcial originada por la delimitación del aislamiento del conductor, se enrolla una capa conductora alrededor del conductor principal, cuenta con una capa de puesta a tierra sobre las capas aislantes, esta capa está construida por un papel semiconductor subcapas de papel aluminio y tiras de cobre axial para poder soportar una alta corriente de corto circuito. Cuenta con una capa de resina pura de barrera para la humedad. En la figura 4.2, se ilustra la barra sólida aislada y sus componentes. Figura Componentes de la barra sólida aislada. [11] Para su aplicación exterior la barra está dotada de una camisa de acero inoxidable fino. Los tramos de barra se pueden fabricar conforme a las necesidades de la central o proyecto. En instalaciones complejas de barras se realizan con conectores dispuestos entre tramos de barras para permitir expansiones térmicas y compensar las tolerancias durante su instalación. Su unión se hace con coples de unión totalmente aislados y garantizan una seguridad absoluta al entrar al contacto en cualquier punto de la barra, un ejemplo se muestra en la figura

71 Estudio Comparativo de Barras Sólidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica. Figura Cople de una barra solida aislada. [11] Conexión de barra. En conexiones a intemperie se cuentan con manguitos de conexión para instalaciones a la intemperie y se fabrican con un tubo de protección de aluminio o de acero inoxidable, el cual es interconectado con una junta de expansión que es sujetada con tornillos de acero inoxidable y cubierto por una capa de aislamiento Instalación. En la instalación de las barras, su fijación se adapta y se acopla de acuerdo a las características del lugar donde serán instaladas, de esta manera permite una sencilla puesta de montaje. La barra puede moverse axialmente dentro de la fijación ya que cuenta con cojinetes fijos y rodamientos. La distancia entre los puntos de fijación debe seleccionarse para evitar resonancias respecto a la frecuencia fundamental del sistema y sus armónicos. 57

72 Estudio Comparativo de Barras Sólidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica Dimensionamiento. El dimensionamiento de la barra se realiza considerando los siguientes criterios: Capacidad que va a transmitir la barra. Condiciones ambientales a las que va a estar expuesto el conductor. Corriente de corto circuito trifásico. Cuando se hace el cálculo del conductor se hace por una temperatura ambiente de 40 ºC con un incremento máximo de 45 ºC por lo tanto la temperatura máxima del conductor será de 85 ºC. El material puede ser cobre (E-CU) o aluminio (E-AL-MGSI 0,5), dichas características se muestran en la tabla del anexo 1 y 2, las cuales mencionan algunas dimensiones de conductores típicos Especificaciones técnicas de la barra de fase aislada. Todos los diseños de barra de fase aislada son del tipo de electricidad continua con placas de unión entre los ductos de fase y cada punto terminal del ducto para darle paso a la corriente de los ductos. Todos los diseños de bus de fase aislada incorporan un herraje de acero inoxidable grado 304 para los pasadores que se usan en los tramos exteriores de los conductos y en los conductos interiores. 58

73 Estudio Comparativo de Barras Sólidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica Conductor. El conductor de la barra es un tubo redondo de aluminio extruido aleación 6101-T6 para tamaños de conductores de 12 pulgadas o menores en diámetro (59.5 % de conductividad) o un tubo laminado de una plancha de aluminio, aleación 1100-H14 para tamaños de conductor superiores a 12 pulgadas de diámetro (57 pulgadas de conductividad) Ducto. El ducto de barras es laminado de una plancha u hoja de aluminio 1100-H14. Cada unión es soldada totalmente en fábrica. El ducto está diseñado para que todo empalme realizado en terreno sea soldado para asegurar un paso de corriente continua, un sello impermeable para protección de polvo y de las condiciones del tiempo, y para mantener integridad estructural. El ducto está hecho con bastidores soldados que permiten usar pernos para instalar y desmontar cada conjunto aislador. El bastidor aislante tiene una empaquetadura para un sello seguro del ducto como se ve en la figura: Figura Junta de empalme soldada. [20] Aislamiento. Los aisladores son del tipo de porcelana de proceso húmedo. Están sujetos rígidamente a bastidores de aluminio y soldados al ducto de barras, para darle la resistencia necesaria para 59

74 Estudio Comparativo de Barras Sólidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica. soportar el cortocircuito. Los principales constituyentes de la porcelana eléctrica son: Arcillas y Caolines. Las arcillas imparten plasticidad, permiten la formación de las piezas en estado húmedo y dan una buena resistencia mecánica en seco, la cual es requerida para el manejo de la producción. Los caolines dan estabilidad en el proceso de cocción y reducen la tendencia a la deformación. Este proceso de preparación de la mezcla de los materiales por vía húmeda es denominado porcelana por proceso húmedo y es en base a la norma ANSI C29.7 (Wet Process Porcelain Insulators Apparatus, Post Type) que nos dice que para todos los aisladores el propósito es el de asegurar calidad y homogeneidad del producto. El proceso de cocción de las piezas formadas se somete entonces a procesos de secado y esmaltado. Las piezas secas y esmaltadas se someten al proceso de cocción en hornos túnel o en hornos discontinuos en los cuales se dan lugar las reacciones termoquímicas y la formación de las fases amorfas y cristalinas que permiten lograr la densificación y vitrificación de la porcelana para alcanzar cero porosidades. En la siguiente tabla se muestran las características físicas y eléctricas de la porcelana de proceso húmedo en base a la norma ANSI C29.7. Tabla Características de la porcelana de proceso húmedo. Material Características generales. Porcelana Características físicas. Peso especifico gm/cm 3 a 25 ºC Coeficiente de dilatación térmica 0.05 mm/(mºc) Características eléctricas. Resistencia de aislamiento 120 kv Rigidez dieléctrica 16 kw/mm 60

75 Estudio Comparativo de Barras Sólidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica. Los aisladores se proveen en diseños de uno, dos, tres o cuatro aisladores por ubicación y separación tanto para soportar mecánicamente aislando posibles fallas contra cortocircuito. El número de soportes aislantes depende del tamaño, peso del conductor y valor estimado del cortocircuito del sistema. Para el caso de este trabajo se recomienda soportar la barra solida aislada con tres soportes aislantes, los que por nivel de corto circuito son sufrientes para otorgar una sujeción sólida. La figura 4.5 muestra las diferentes posibilidades de soportes aislantes que puede contener una barra de fase aislada. Figura Soportes aislantes. [20]. Las barras de fase aislada son a prueba de intemperie, con cubierta del tipo continuo, auto enfriado, auto soportante, rígido, con cada fase contenida en una cubierta metálica y separadas entre sí con espacios de aire. Los conductores son octogonales en aluminio o tubulares en aleación de aluminio y se colocan dentro de carcasas tubulares en aluminio. Los aisladores en porcelana soportan los conductores, el aislamiento entre el conductor y carcasa se lleva a cabo por aire. Un esquema representativo de los bus de fase aislada se muestra a continuación. 61

76 Estudio Comparativo de Barras Sólidas Aisladas en una Central Hidroeléctrica. Figura Interconexión del conjunto con barras de fase aislada. [21]. Cada fase está contenida en una cubierta metálica, separada de las fases adyacentes mediante espacios de aire, estas cubiertas están cortocircuitadas entre ellas en cada una de las extremidades de los enlaces, por medio de chapas de aluminio soldadas, asegurando así el paso de corriente de un ducto a otro, se puede observar lo dicho anteriormente en la siguiente figura. Figura Fases de la barra de fase aislada. [20] 62

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