DISEÑO Y COORDINACIÓN DE PROTECCIONES ELÉCTRICAS DE UNA MICRO-RED PARA UNA ESTACIÓN BASE DE COMUNICACIÓN EN
CONDICIÓN DE ISLA
PRESENTADO POR: JAIRO HERNANDO PEÑALOZA GRATERON CÓDIGO: 20062007002
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ
DISEÑO Y COORDINACIÓN DE PROTECCIONES ELÉCTRICAS DE UNA MICRO-RED PARA UNA ESTACIÓN BASE DE COMUNICACIÓN EN
CONDICIÓN DE ISLA
PRESENTADO POR: JAIRO HERNANDO PEÑALOZA GRATERON CÓDIGO: 20062007002
TIPO DE TRABAJO: MONOGRAFÍA
DIRECTOR: ING. OSCAR DAVID FLÓREZ CEDIEL
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN ... 11
RESUMEN DEL PROYECTO ... 13
ANTECEDENTES Y MARCO REFERENCIAL ... 13
JUSTIFICACIÓN... 16
PROBLEMA DE INVESTIGACION. ... 17
OBJETIVOS ... 18
OBJETIVO GENERAL ... 18
OBJETIVOS ESPECIFICOS ... 18
METODOLOGIA ... 19
1 MARCO TEORICO CONCEPTUAL ... 21
1.1 GENERALIDADES DE LAS ESTACIONES BASE DE COMUNICACIONES MOVILES... 21
1.2 INSTALACIONES ELÉCTRICAS ESTACIÓN BASE ... 24
1.2.1 Carga de la estación base. ... 25
1.2.2 Transformador ... 25
1.2.3 Generador diesel ... 26
1.2.4 Tablero general y transferencia automática (TG) ... 27
1.2.5 Iluminación ... 27
1.2.6 Luz de obstrucción ... 27
1.3 SISTEMA DE PUESTAS A TIERRA ... 30
2 DISEÑO DE UNA MICRO-RED PARA UNA ESTACIÓN BASE DE COMUNICACIÓN MOVIL ... 31
2.1 CONSIDERACIONES DEL DISEÑO DE LA MICRO-RED ... 31
2.2 DISEÑO DE LA MICRO-RED ... 32
2.3 SELECCIÓN DE EQUIPOS DE LA MICRO-RED ... 34
2.3.1 Selección de aerogeneradores ... 34
2.3.2 Selección paneles fotovoltaicos. ... 37
2.3.3 Selección de controlador solar ... 41
2.3.4 Selección de inversor regulador hibrido ... 42
2.3.5 Selección de inversor de red ... 42
2.3.6 Selección de baterías ... 43
2.4 CALCULOS ELECTRICO DE LA MICRO-RED. ... 46
2.4.1 Especificación tramos de la micro-red ... 47
2.4.1.1 Tramos AC. ... 47
2.4.1.2 Tramos DC. ... 49
2.4.2 Calculo de conductores ... 50
2.4.3 Selección de tubería para los conductores ... 55
3 DISEÑO DE PROTECCIONES ELECTRICAS EN BAJA TENSIÓN PARA LA MICRO-RED DE UNA ESTACIÓN BASE DE COMUNICACIÓN MOVIL ... 57
3.1 PROTECCIONES PARA MICRO-REDES ... 57
3.2 PROTECCIÓN CON DIODOS PARA PANELES SOLARES ... 60
3.3.1 Protecciones contra sobre-corriente DC ... 61
3.3.2 Protecciones contra sobre-corriente AC. ... 65
3.4 PROTECCIÓN CONTRA SOBRETENSIONES TRANSITORIAS. ... 67
3.4.1 DPS para sistemas DC ... 67
3.4.2 DPS para sistema AC ... 69
4 COORDINACIÓN DE PROTECCIONES CONTRA SOBRECARGA Y CORTOCIRCUITO. ... 72
4.1 ANALISIS DEL SISTEMA DE PROTECCION. ... 72
4.1.1 Operación de la micro-red en DC. ... 72
4.1.2 Operación de la micro-red en AC. ... 74
4.2 COORDINACIÓN DE PROTECCIONES. ... 78
4.2.1 Coordinación de protecciones DC en condición de cortocircuito. ... 80
4.2.2 Coordinación de protecciones AC. ... 82
4.2.2.1 Coordinación de protecciones AC en condición de cortocircuito. ... 83
4.2.2.2 Coordinación de protecciones AC en condición de sobrecarga. ... 87
5 CONCLUSIONES ... 90
6 RECOMENDACIONES ... 92
BIBLIOGRAFÍA ... 93
ANEXO A COORDINACIÓN DE PROTECCIONES DE LA MICRO-RED EN EL SISTEMA AC EN CONDICIÓN DE CORTOCIRCUITO. ... 96
ANEXO C
Unifilar Micro-red Icc Monofásicas. ... 123 ANEXO D
Unifilar Micro-red Icc Sistema DC ... 124 ANEXO E
Unifilar Micro-red Protecciones AC y DC ... 125 ANEXO F
LISTADETABLAS
pág.
Tabla 1 Infraestructura GSM de empresa de comunicación móvil. ... 22
Tabla 2 Cuadro de cargas. ... 25
Tabla 3 Características técnicas transformador ... 26
Tabla 4 Generadores eólicos < 5 kW y características técnicas. ... 34
Tabla 5 Ficha técnica generador eólico de 2 kW tipo VAWT. ... 36
Tabla 6 Paneles fotovoltaicos (PV) y características técnicas comerciales. ... 38
Tabla 7 Controladores solares y características técnicas comerciales. ... 41
Tabla 8 Inversores reguladores y características técnicas comerciales. ... 42
Tabla 9 Inversores de red y características técnicas comerciales. ... 43
Tabla 10 Baterías y características técnicas comerciales. ... 44
Tabla 11 Consumo de energía diario. ... 45
Tabla 12 Flujo de potencia AC. ... 48
Tabla 13 Flujo de potencia DC... 50
Tabla 14 Calculo de conductores AC. ... 52
Tabla 15 Calculo de conductores DC... 54
Tabla 16 Calculo de regulación... 55
Tabla 17 Calculo de tuberías. ... 56
Tabla 18 Protecciones en DC. ... 64
Tabla 19 Protecciones en AC. ... 65
Tabla 21 Selección de DPS en AC. ... 71
Tabla 22 Operación de la micro-red en DC. ... 73
Tabla 23 Operación de la micro-red en AC. ... 75
Tabla 24 Condición falla o mantenimiento de la micro-red en AC. ... 76
Tabla 25 Secuencias de disparo sistema DC 1. ... 81
Tabla 26 Secuencias de disparo sistema DC 2. ... 82
Tabla 27 Secuencias de disparo en falla el barraje de la BTS. ... 84
Tabla 28 Secuencias de disparo en falla en el barraje de la BTS conectada al generador diesel. ... 86
Tabla 29 Secuencias de disparo por sobrecarga en la BTS conectado a la micro-red. ... 87
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1 Crecimiento anual de las estaciones base de telefonía
móvil desde 2007 hasta 2012 ... 14
Figura 2 Proceso del diseño de una micro-red para estación base de comunicación móvil ... 20
Figura 3 Topología de la comunicación móvil ... 21
Figura 4 Distribución de la estación base ... 24
Figura 5 Rectificador Eltek HE 48 VDC- 2000 W. ... 28
Figura 6 Gabinete Outdoor BTS. ... 29
Figura 7 Micro-red planteada EB. ... 33
Figura 8 Generador eólico tipo VAWT de 2 kW. ... 37
Figura 9 Ficha técnica PV 280 Wp marca SUNTECH ... 40
Figura 10 Curva característica del panel solar 280 W marca SUNTECH ... 40
Figura 11 Esquemas de protección de la micro-red de una estación base. ... 58
Figura 12 Esquemas de protección existentes para micro-redes. ... 59
Figura 13 Corrientes de falla DC PV 1,12 kWp. ... 62
Figura 14 Corrientes de falla DC PV 6,72 kWp. ... 63
Figura 15 Diagrama de flujo de coordinación de protecciones de la micro-red. ... 79
Figura 16 Curva de selectividad sistema DC1 (DC-PV 1,12 kWp). ... 80
Figura 17 Curva de selectividad sistema DC1 (DC-PV 6,72 kWp). ... 81
Figura 19 Curvas de selectividad BTS conectada a la micro-red ... 84
Figura 20 Secuencia de disparo protecciones en falla en el barraje de la BTS conectada al generador diesel ... 85
Figura 21 Curva de selectividad BTS1 conectada al generador diesel. ... 86
Figura 22 Curva de sobrecarga BTS conectado a la micro-red. ... 88
11
INTRODUCCIÓN
Un sector representativo e importante del país son las comunicaciones, por la gran infraestructura instalada a lo ancho y largo del territorio, compuesta por centrales, estaciones de enlace de microondas, estaciones base urbanas, rurales, suburbanas en pequeñas poblaciones conexas y estaciones terrenas en zonas no interconectadas.
En la construcción de estaciones base las empresas tienen dificultades para iniciar el funcionamiento de los equipos de comunicaciones por no contar con el suministro de la energía eléctrica; causado en algunos casos por lo alejado de la estación de los centros urbanos, siendo necesario construir redes eléctricas de gran distancia, y los trámites dispendiosos ante el operador de red local para la prestación del servicio.
Ante esto, la solución de las empresas de comunicaciones es iniciar el funcionamiento de la estación con el generador diésel, como única fuente de energía, permitiendo la operación por varios días, semanas y en algunos casos meses; justificado por la inversión en el montaje y los compromisos adquiridos con la comunidad para la prestación del servicio de telefonía.
Otro problema presente en las estaciones base construidas y en funcionamiento es la calidad del servicio de energía, reflejado en las constantes salidas de la red eléctrica principal, por su condición de exposición a descargas directas de rayos o deficiencias en el servicio; ocasionan la salida de la red activando el generador diesel, incurriendo así en un elevado costo del kWH y contaminando el medio ambiente emitiendo CO2. El impacto ambiental, económico y social de una estación de comunicaciones móviles es significativo, debido a que la fuente de respaldo principal de energía son los generadores diesel; por consiguiente es necesario reducir su ciclo de utilización, y por ende se reduce la contaminación e impacto ambiental.
Las micro-redes se componen de la red de distribución y los recursos energéticos distribuidos (DER) (micro-turbinas, celdas de combustibles Paneles fotovoltaicos, generadores eólicos etc.) junto con dispositivos de almacenamiento y cargas flexibles. (Nikos, 2014); esto permite el aprovechamiento de los recursos energéticos de las regiones donde se implementen.
12
RESUMEN DEL PROYECTO
Este proyecto consiste en el diseño de una micro-red en baja tensión y coordinación de sus protecciones para una estación base de comunicación móvil en Colombia, se inicia con la selección del tipo de estación de comunicaciones, levantamiento de la carga y la topología de la red eléctrica a la cual se le va realizar el diseño, luego se evalúa el recurso solar y eólico definiendo la potencia a instalar en fuentes renovables y se seleccionan los equipos de la micro-red, realizando el diseño eléctrico y termina con la coordinación de las protecciones de la micro-red.
El objetivo principal del proyecto es diseñar una micro-red con una potencia instalada de 16 kW y coordinar sus protecciones eléctricas en condición de isla, para una estación base de comunicación móvil en Colombia; más específicamente coordinar las protecciones en baja tensión siendo selectivas ante las fallas que se puedan presentar en el sistema.
Los principales parámetros para tener en cuenta en el diseño de la micro-red de una estación base es incluirla a la red eléctrica existente sin modificar profundamente la infraestructura y reducir el tiempo de funcionamiento del generador diesel, el cual se acciona por cortes de energía y falencias del sistema potencia (sobretensiones y sub-tensiones temporales).
En el diseño de protecciones se especifican las maniobras por falla o mantenimiento de cada una de las protecciones, evaluando cada uno de los casos que se pueden presentar en el sistema, estos se refleja en las curvas de selectividad donde es posible analizar su adecuada coordinación.
La coordinación de protecciones de la micro-red es basada a las estrategias y esquemas de protección que se aplican en micro-redes para obtener un buen sistema de protección. En baja tensión se define una estrategia por escalonamiento de tiempo y un esquema de protección por sobre-corriente, por su fácil implementación y bajos costos, más específicamente cortocircuito y sobrecarga.
La verificación de la adecuada coordinación de las protecciones se utiliza el programa ETAP 12.6.0 Demo, en los sistemas DC y AC con el cual podemos realizar las curvas de selectividad de las protecciones y en el sistema AC podemos verificar la secuencia de disparo de las protecciones.
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ANTECEDENTES Y MARCO REFERENCIAL
La construcción de micro-redes en el mundo han permitido el desarrollo energético de las regiones y la parcial independencia de la red eléctrica principal; en otros casos mejoran el servicio de energía eléctrica como se evidencia en el proyecto ESUSCON ( Electrificación Sostenible Cóndor) en la población de Huatacondo en Chile, denominada la primera micro-red eléctrica en Latinoamérica, suministra energía las 24 horas y reduce a la dependencia del diesel, con la instalación de fuentes renovables (paneles fotovoltaicos y generadores eólicos) y baterías para el almacenamiento de energía. (Nikos, 2014)
En Colombia con la ley 1715 del 13 Mayo de 2014, “por medio del cual se regula la integración de las energías renovables no convencionales al sistema energético nacional.” Ha dado un paso importante para el desarrollo y la utilización de las fuentes No convencionales de energía en especial las de carácter renovable; (Congreso de Colombia, 2014) esto fomenta la creación estudios, documentos técnicos para la implementación de fuentes No convencionales, como son los sistemas de generación distribuida y las micro-redes, incentivando a la inversión de proyectos de generación en el país.
Las Universidades, adelantan estudios e instalaciones de micro-redes para el aprovechamiento de los recursos naturales, en aplicaciones de autoconsumo y fomento de edificaciones verdes; un ejemplo del interés de la academia en este tema es el trabajo de grado, para optar al título de magister en ingeniería Eléctrica del ingeniero German Alfonso Osma Pinto, “Uso Racional de la energía a partir del diseño de aplicaciones sostenibles en el edificio eléctrica II de la universidad industrial de Santander” que alcanzando el segundo puesto en el V premio Fabio Chaparro otorgado por la empresa de energía de Bogotá en el 2012. (Ministerio de educación nacional republica de Colombia)
14
La Universidad Distrital Francisco José de Caldas está adelantando investigaciones, estudios y documentos de micro-redes en distintas temáticas y aplicaciones, el más actual estudio es el “Prototipo de una micro-red eléctrica en la universidad Distrital Francisco José de Caldas PME-UD” adelantado por la Facultad de Ingeniería con los grupos de investigación LIFAE y GCEM.
Sobre la temática de estudio, no se encontraron documentos y datos de una evolución en el diseño y coordinación de protecciones de micro-redes en estaciones de comunicaciones, pero si se evidencia la iniciativa de las empresas de comunicaciones de incluir fuentes de generación distribuida en instalaciones de comunicaciones, como se observa en el artículo de la unión internacional de telecomunicaciones (UIT, 2009), donde afirma que “La Asociación GSM (GSMA) inició en septiembre de 2008 un programa llamado Green Power for Mobile (Energía verde para los móviles), a fin de fomentar la utilización de fuentes de energía renovable por parte de la industria de telefonía móvil, (…)”; Pemitiendo asi un aumento de construcción de estaciones base con fuentes renovables a nivel mundial con sistemas conectados a la red o aislados, evolucionando mas rapido en regiones donde existe falecias del servicio electrico o no tienen acceso al mismo (SMA Solar technology AG), (ver figura 1).
Figura 1 Crecimiento anual de las estaciones base de telefonía móvil desde 2007 hasta 2012
15
De igual formas el programa “Green Power for mobile” reconoce que las tecnologías solar y eólica (incluyendo híbridos solar y eólica ) son actualmente las tecnologías más atractivas para alimentar sitios de estaciones base. (GSMA , 2008)
En el sector de las comunicaciones a nivel internacional han existido adelantos en el diseño de micro-redes por parte de la empresa privada, Eltek Group, donde han implementado una micro-red hibrida con paneles fotovoltaicos, generador eólico y generadores diesel, con una topología en DC, conectando rectificadores, banco de baterías, supliendo únicamente la carga de los equipos de comunicaciones. Buscando una solución Hibrida para estaciones base de comunicación móvil, contribuyendo al ahorro de dinero en pago de energía, combustible diesel y reducir las emisiones de CO2. (Eltek A Delta Group company, 2015)
16
JUSTIFICACIÓN
La investigación y creación de documentos en micro-redes permiten ampliar el conocimiento y profundizar el estudio e implementación en los sistemas actuales de consumo de energía; la aplicación de micro-redes es práctica y útil en sitio donde se presenten cargas críticas y sea necesario tener fuentes de energía redundantes; las estaciones base de comunicación móvil tiene esta característica debido a la importancia de estar siempre en servicio para no presentar pérdidas económicas y afectación a los usuarios.
Un factor importante y decisivo en diseño e implementación de micro-redes es la reducción de emisiones de CO2 a la atmosfera, limitando el funcionamiento de los generadores diesel y la dependencia de la red; Como beneficio adicional permite mejorar los parámetros eléctricos del sistema, siendo más estable y constante para los equipos de comunicaciones.
A pesar que las tecnologías renovables se vienen aplicando desde hace varios años en el país en soluciones específicas, siguen siendo muy costosas, los generadores eólicos, paneles solares, equipos gestión de energía, inversores, controlador solar, baterías, etc.), para la implementación de micro-redes. Por lo tanto se debe implementar un buen sistema de protecciones eléctricas para salvaguardar las fuentes y equipos ante perturbaciones propias o externas.
Al evaluar las protecciones contra sobre-corriente en baja tensión de la micro-red para una estación base de comunicación móvil, el sistema debe ser capaz de detectar la falla realizando una discriminación, para evitar disparos no deseados y actuar lo más rápidamente para evitar daños, como afectación a la continuidad y estabilidad del servicio; la coordinación adecuada de las protecciones permite la selectividad del sistema, según definición de la norma IEC 60947-1.
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PROBLEMA DE INVESTIGACION.
El avance tecnológico mantiene en constantes evolución a la sociedad encaminándola hacía una mejor calidad de vida, sin embargo hoy queda la duda; por tener que afrontar los cambios climáticos y daño al ecosistema provocados por el ser humano, en cada uno de los procesos de manufactura, transporte y producción de energía, causantes del calentamiento global producido por los gases de efecto invernadero (dióxido de Carbono CO2, Metano CH4, óxido Nitroso N2O, Hidrofluorurocarbonos HFC, Perfluorocarbonos PFC y Hexafluoruro de azufre SF6). (Naciones Unidas, 1998)
Lo proceso de obtención de energía eléctrica a partir de productos fósiles (petróleo, gas natural, carbón y quema de combustibles sólidos) son evaluados y reemplazados gradualmente. El sector eléctrico a nivel mundial ha tenido cambios profundos en su concepción tradicional, permitiendo el ingreso de las fuentes no convencionales al sistema interconectado, aumentando el autoconsumo con fuentes renovables y la creación de micro-redes; Esta última tiene la capacidad de enviar los excedentes de energía producida a la red para el aprovechamiento de usuarios de la misma región.
El sector de comunicaciones no es ajeno a la problemática del cambio climático, debido a la presencia de generadores diesel en las estaciones de comunicaciones, como fuente de respaldo, por lo tanto la necesidad de reducir el ciclo de utilización o definitivamente reemplazarlos con fuentes de energías renovables, siendo importante analizar y plasmar soluciones de ingeniería.
Como un ejercicio de ingeniería se busca plasmar en un documento el diseño de una micro-red hibrida para una estación base de comunicación con una carga típica de 14,64 kW, es decir tiene como fuentes la red principal, un generador diesel y se introduciendo fuentes de renovables con una potencia instalada de 16 kW, distribuidos de la siguiente forma: paneles fotovoltaicos de una potencia 10 kW y un aporte eólico de 6 kW.
La coordinación de protecciones para la micro-redes se convierte en un reto de ingeniería, debido a su característica variable, es decir por tener múltiples fuentes de energía alimentando una carga, el cambio de la generación por la disminución o perdida de los recursos solar y eólico, topología de conexión, sistemas generación AC y DC, características de corriente de cortocircuito de las fuentes y el aumento de los niveles de protección; esto no permiten una sencilla selección de las protecciones.
18 OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar una micro-red y coordinar las protecciones eléctricas en condición de isla, para una estación base de comunicación móvil en Colombia, con paneles Fotovoltaicos y generadores eólicos para una potencia de 16 KW.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Diseñar una micro-red de 16 KW, con sistemas de generación distribuida y respaldo para alimentar las cargas de una EB de comunicación móvil en condición de isla.
Diseñar un esquema de protecciones eléctricas en baja tensión de la micro-red en condición de isla de la EB.
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METODOLOGIA
El diseño de la micro-red es basado en la instalación eléctrica de una estación base de comunicación móvil en Colombia conectada a la red y en condición de emergencia al generador diesel, alimentando la carga definida de 14,64 kW, con características técnicas específicas plasmadas en el desarrollo del presente documento. Además se especifica una potencia instalada de 16 kW en baja tensión de fuentes renovables, 10 kW en paneles fotovoltaicos y 6 kW en generadores eólicos con capacidad de soportar la carga en condición de isla. En la primera fase, se elaborará el diseño de la micro-red hibrida con topología AC, iniciando con la selección del panel fotovoltaico y el generador eólico según el potencial eólico y solar disponible en Colombia de acuerdo a los Atlas de Viento y de Energía Eólica de Colombia (UPME e IDEAM, 2006) y Atlas de Radiación Solar (UPME, IDEAM, 2005). Luego se realizara la selección de los equipos de conversión de energía en DC y AC, evaluando y relacionando sus características eléctricas, eficiencia y calidad del producto; esta información se obtendrá de trabajos de investigación, libros especializados en el tema, páginas web de empresas distribuidoras de productos entre otros. Una vez definido los equipos se realizan los cálculos eléctricos de la micro-red.
En la segunda fase, se analiza la corriente de cortocircuito de cada fuente tanto en el sistema DC y AC con el programa ETAP 12.6.0 Demo, el cual calcula la corriente de cortocircuito en cada barraje de la micro-red, teniendo en cuenta los cableados y topología de conexión. Permitiendo seleccionar la marca y las protecciones de sobre-corriente del sistema. Por último se especificara las protecciones contra sobretensiones en DC y AC.
Una vez definidos los dispositivos de protección, en la tercera fase, se verifica la coordinación de las protecciones con el programa ETAP 12.6.0 Demo en DC y AC, el cual permite elaborar las curvas de selectividad de las protecciones;
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Figura 2 Proceso del diseño de una micro-red para estación base de comunicación móvil
Fuente: Autor
21
1 MARCO TEORICO CONCEPTUAL
1.1 GENERALIDADES DE LAS ESTACIONES BASE DE COMUNICACIONES MOVILES
Las comunicaciones móviles consisten en realizar una conexión efectiva entre la estación Base (o Estación base transceptora, BTS) y el teléfono móvil (Usuario) que se encuentra dentro del área de cobertura de una antena. Ésta tiene un alcance limitado y cubre una pequeña área alrededor, llamada "celda" (de ahí el otro nombre de "red de celdas” o “red celular" utilizado a menudo para designar las redes móviles). Para cubrir el máximo territorio y garantizar el servicio a los que los usuarios, se construyen miles de estaciones base, evitando la existencia de huecos donde se pierda la señal o la localización de los usuarios.
Cuanto menor sea el radio de una celda, mayor será el ancho de banda disponible. Por lo tanto, en zonas urbanas muy pobladas, hay celdas con un radio de unos cientos de metros, mientras que en zonas rurales hay celdas enormes de hasta 30 kilómetros que proporcionan cobertura.
En una red celular, cada celda está rodeada por seis celdas contiguas (por esto las celdas generalmente se dibujan como un hexágono). Para evitar interferencia, las celdas adyacentes no pueden usar la misma frecuencia. En la práctica, dos celdas que usan el mismo rango de frecuencia deben estar separadas por una distancia equivalente a dos o tres veces el diámetro de la celda. (CCM Benchmark group, sf)
Figura 3 Topología de la comunicación móvil
22
En la infraestructura de una empresa de comunicación móvil se encuentran diferentes construcciones con características propias según la función a realizar en la red; como las centrales MSC (Mobile Switching Center o Centro de servicio de conmutación móvil), y BSC (Base Station Controller o Controlador de estación base), las estaciones base, enlaces de microondas y estaciones terrenas con enlace satelital. En la tabla 1 se observa las características de la infraestructura GSM en instalaciones de comunicación móvil en Colombia.
Tabla 1 Infraestructura GSM de empresa de comunicación móvil.
INFRAESTRUCTURA DE
MSC URBANO AUTOSOPORTADA TORRE
TRIANGULAR O CUADRADA DE SECCIÓN
VARIABLE
2 <900 OUTDOOR INDOOR
BSC URBANO AUTOSOPORTADA TORRE
TRIANGULAR
23 implementación de una micro-red, por presentar un área disponible mayor, poca probabilidad de tener obstáculos aledaños, esto optimiza la instalación de fuentes renovables.
La instalación típica de una estación base rural de tecnología GSM consta en su parte constructiva de las BTS outdoor, con equipos ubicados en su interior que realizan la transmisión, conmutación, codificación y enlace; completando la instalación de comunicaciones las antenas de irradiación de señal, de microondas, gabinetes de rectificadores y banco de baterías para alimentación eléctrica de los equipos de comunicaciones; Además, tiene una infraestructura física característica como la torre auto-soportada de comunicaciones con altura superior a 30 metros, encerramiento del área de la estación con malla eslabonada para la seguridad.
24
A continuación se plasma la distribución de la estación Base.
Figura 4 Distribución de la estación base
Fuente: Autor
1.2 INSTALACIONES ELÉCTRICAS ESTACIÓN BASE
Las instalaciones eléctricas de la estación de comunicación móvil son diseñadas y construidas con estándares normativos nacionales e internacionales, por lo tanto las instalaciones son seguras para las personas, equipos eléctricos y de comunicaciones.
Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE) resolución No 90708 de 30 de Agosto de 2013.
Código Eléctrico Colombiano, NTC 2050, Primera Actualización del 1998-11- 25.
Normas técnicas del operador de red de la región donde se instale las estaciones base de comunicación móvil.
25 1.2.1 Carga de la estación base.
La estación base de comunicación móvil típica presenta una carga eléctrica distribuida de la siguiente forma:
Tabla 2 Cuadro de cargas.
CIRCUITO DESCRIPCIÓN POTENCIA [W]
1,2,3
Rectificador Eltek (8 módulos de 2000 W)
carga por módulo 1600 W 12.800 encuentran los equipos de comunicaciones de la tecnología GSM, Rectificadores Eltek y banco de baterías para respaldo de equipos.
Además tiene un sistema de circuitos auxiliares en AC al funcionamiento de la estación base, como iluminación, señalización de aeronavegación, tomas para conexión de aparatos auxiliares del generador diesel y de cargas eventuales por mantenimiento.
1.2.2 Transformador
La estación base de comunicaciones móviles, regularmente se especifica la instalación de un transformador trifásico en aceite de 30 kVA, 13.200 o 11.400 a 208/120 Voltios a 60 Hertz, con un centro de transformación en poste según la región donde se instale. Es alimentado por una red eléctrica en media tensión proveniente del circuito local más cercano donde se permita la conexión por parte del operador de red.
26
Tensión del primario 13200 Voltios
Tensión del secundario en Vacío 214/124 Voltios
Fases 3
Grupo de conexión DYn5
Material Devanados AT y BT Cobre
Frecuencia 60 Hz
Nivel de aislamiento de los devanados de AT 95 kV
Nivel de aislamiento de los devanados de BT 30 kV
Impedancia máxima 3%
Perdidas en Vacío 80 W
Perdidas con carga 310 W
Pérdidas totales 390 W
Temperatura de referencia 85 °C
Altitud de operación <= 1000 msnm
Conmutador de derivación 5 Posiciones
Dimensiones 850x600x850 mm
Peso 250 kg
Fuente: (Interelectricas, 2015)
1.2.3 Generador diesel
En la Estación base de comunicaciones móviles, regularmente se especifica la instalación de un generador trifásico diesel de 44 kVA, a 208/120 Voltios, 60 Hertz con cabina, ubicado en el área de la estación.
El control del generador es electrónico con funciones básicas como supervisión del motor y alternador CA, funcionamiento en automático o manual, módulo de control de arranque automático, vigilante de tensión de salida, protecciones y de fácil configuración de parámetros.
27
1.2.4 Tablero general y transferencia automática (TG)
El tablero general del sistema eléctrico es donde se centraliza la red eléctrica de la EB, se realiza la conexión de la red, generador diesel y cargas; tiene una transferencia automática con suplencia de plena carga, al igual tiene dispositivos de supervisión de la red y control automático. Además se encuentran las protecciones eléctricas de sobretensión y sobre-corriente del sistema, estas protecciones se coordinan con las protecciones de la BTS y generador diesel. La transferencia automática es el dispositivo electromecánico capaz de detectar la falla del suministro de energía eléctrica de la red, acciona y transfiere la carga al generador diesel u otra fuente de respaldo de energía; es decir ante la falla del suministro eléctrico de la red, este realiza la detección de la falla (con el vigilante de tensión o equipos de supervisión electrónicos), arranca el motor diesel, transfiere la cargas eléctricas al generador de respaldo, continúa supervisando el sistema hasta que se normaliza y conecta nuevamente el sistema a red eléctrica externa finalizando la maniobra.
Además tiene dispositivos manuales para pruebas de la transferencia o encendido manual del motor diesel.
1.2.5 Iluminación
La iluminación de la estación base consta de cuatro luminarias en tecnología Led (Ligth- Emitting Diode, acrónimo en inglés) ubicada en las esquinas perimetrales del área de la estación, controlado con una fotocelda en cada luminaria. La potencia de la luminaria debe ser mínimo 70 Vatios. La alimentación de la iluminación exterior es derivada desde el tablero general de la estación base, con dos circuitos en cable 2x8 +10 AWG THHN por tubería PVC o Galvanizada de diámetro 1”.
1.2.6 Luz de obstrucción
Luz de obstrucción es el dispositivo de señalización o iluminación de obstáculos cuya finalidad es reducir los peligros para las aeronaves. Los faros o balizas de la estación base son tecnología Led de 20 Vatios. (Shanghai Reddot Electronics Co., Ltd., 2008)
1.2.7 Rectificadores BTS
28
respaldo para equipos de comunicaciones, la función es de proveer de energía a la BTS.
En la etapa de rectificación está conformado máximo por 8 módulo Eltek flatpack2 HE de 2000 W a 48 VDC, la cantidad de módulos se instalan según la corriente requerida por la BTS.
Figura 5 Rectificador Eltek HE 48 VDC- 2000 W.
Fuente: (Eltek group, 2015)
En la etapa de respaldo, se tiene de uno a cuatro bancos de baterías que se colocaran de acuerdo a la necesidad requerida, cada banco posee 4 baterías de 12 voltios conectados en serie para un voltaje resultante de 48 VDC. La alimentación de energía eléctrica alterna para de este gabinete es de 220 Voltios trifásica o monofásico bifilar. (Rodriguez Añazco & Tulcán Arteaga, 2007)
29 Figura 6 Gabinete Outdoor BTS.
30 1.3 SISTEMA DE PUESTAS A TIERRA
Las puesta a tierra de la estación base son dos: el primero es para el sistema integral de protección contra rayos (SIPRA) (INCONTEC, 2008) y el otro es el sistema de potencia, deben estar unificados para evitar elevaciones de potenciales entre las dos puestas a tierra y cumplir con las tensiones de seguridad paso, contacto y transferidas aplicadas al ser humano en caso de falla a tierra. Las tensiones de seguridad no deben superar los valores tolerables, en caso de hacerlo se deben controlar con buenas prácticas de ingeniería. (Casas Ospina, 2010) (Ministerio de minas y energía de Colombia, 2013)
El valor de resistencia de la puesta a tierra unificada de la estación base debe ser menor igual a 5 Ohmios por recomendación de los fabricantes de equipos electrónicos sensibles y experiencia de las empresas de comunicaciones.
31
2 DISEÑO DE UNA MICRO-RED PARA UNA ESTACIÓN BASE DE COMUNICACIÓN MOVIL
2.1 CONSIDERACIONES DEL DISEÑO DE LA MICRO-RED
La micro-red a diseñar para la estación base rural de comunicaciones móvil es hibrida, conformado por la red principal, un generador diesel y las fuentes de energía renovables; con potencia instalada de 16 kW combinado por generadores eólicos y paneles fotovoltaicos, encajando de forma armoniosa al sistema eléctrico existente. Las fuentes renovables y equipos de conversión debe permitir su desconexión, para mantenimiento o emergencia, conectándose directamente la carga a la red principal; Además en caso de falla de la red está respaldado el
El objetivo de implementar la micro-red es reducir el tiempo de funcionamiento del generador diesel y el consumo de energía aprovechando los recursos naturales de la región; con capacidad de soportar la carga en condición de isla por un tiempo mínimo de 2 horas, esto permite que el generador diesel no encienda en cortes de energía momentáneos y en cortes de energía prolongados reduce el tiempo de funcionamiento; realizando continuamente un ahorro, al no consumir la energía procedente de la red principal.
En el diseño de la micro-red para la estación base de comunicación móvil se considera condiciones ideales del aprovechamiento del recurso eólico y solar obteniendo la máxima eficiencia de los sistemas de acuerdo a los recursos naturales disponible en Colombia; para la aplicaciones, se debe realizar un estudio de los recursos naturales de la región, calcular la máxima energía a producir en un año y analizar la viabilidad de la instalación.
En la selección del generador eólico para la aplicación en Colombia, se debe tener en cuenta que en la mayorías de las regiones tenemos velocidades de vientos bajas exceptuando por la región de la Guajira, (UPME e IDEAM, 2006) por lo tanto se debe buscar una micro turbina eólica con velocidad de arranque menor igual a 2 m/s con una potencia menor a 5 kW, de modo que funcione el mayor tiempo posible generando energía eléctrica.
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Los equipos de conversión de energía y gestión se deben seleccionar según las marcas comerciales disponibles, características eléctricas de las fuentes y compatibles para el funcionamiento con los demás componentes de la micro-red.
2.2 DISEÑO DE LA MICRO-RED
La topología de la micro-red es en AC, es decir las cargas se conectan en AC la energía generada en DC por las fuentes renovables se convierte en AC, por las unidades de gestión en AC y el inversor de red (Rey López & Vergara Barrios, 2012),. El primero consta de tres unidades de gestión de energía a 120 Voltios monofásica una por cada fase, a las cuales se conecta dos arreglo de paneles fotovoltaicos, de 1,12 kWp en total, a un controlador solar y además se conecta un generador eólico, de 2 kW, a un controlador, convergiendo la energía a un barraje de 48 VDC cargando el banco de baterías y/o alimenta la carga, con prelación a la fuentes de energía renovables y los faltantes de energía se toma de la red principal.
En tablero de conexiones de la micro-red (TCM) se centraliza las protecciones del sistema presentando la siguiente distribución; alimentación del tablero proviene de la red principal, tiene dos barrajes de distribución trifásicos, en el primer barraje es alimentado por la red y se conecta las protecciones de entrada de las unidades de gestión AC. Y el segundo barraje es para la conexión de la micro-red donde converge la energía generada por los generadores eólicos o paneles fotovoltaicos o proveniente de la red principal, conectados a la unidad de gestión de energía AC y el inversor de red.
Como condición de emergencia el inversor de red se conecta al barraje de la micro-red del TCM, el cual es alimentado por un arreglo de paneles fotovoltaicos, cuyo funcionamiento está condicionado a la producción de energía de los paneles fotovoltaicos y al funcionamiento de la unidad de gestión de energía AC; el inversor de red se sincroniza y envía la energía producida hacia la carga reduciendo el consumo de la energía de la red y en caso de falla de energía, evita el accionamiento del generador diesel, funcionando en condición de isla por el tiempo de autonomía de las baterías.
34
2.3 SELECCIÓN DE EQUIPOS DE LA MICRO-RED
En el siguiente capítulo se realizara la selección de los equipos para el diseño de la micro-red según al esquema anteriormente planteado, de acuerdo a los equipos presentes en el mercado. Verificando con las características técnicas eléctricas, mecánicas, físicas y de montaje aptas para su implementación en estación base de comunicación móvil de Colombia.
2.3.1 Selección de aerogeneradores
Para la estación base de comunicación móvil se plantea la utilización de tres micro-turbinas eólicas con potencia de 2 kW para tener una potencia instalada eólica de 6 kW, las características importantes a tener en cuenta son el diámetro del rotor, materiales constructivos, tipo de generador HAWT o VAWT, tipo de control entre otras características físicas y de montaje.
En la siguiente tabla se observa las características técnicas de los generadores eólicos comerciales:
Tabla 4 Generadores eólicos < 5 kW y características técnicas. CARACTERISTICAS TECNICAS BONAY 1,5 kW WINDSPOT 1,5 kW
BORNEAS ECO 2000 W
NUMERO DE HELICES 2 3 3
DIAMETRO DEL ROTOR [m] 2,86 3,3 3,6
MATERIAL HELICES Fibra de vidrio/ carbono
Resina de poliéster con Pasivo por inclinación Timón de orientación Timón de orientación
PESO [kg] 41 155 58
GARANTIA [Años] 3 3 3
CARACTERISTICAS ELECTRICAS
ALTERNADOR TRIFASICO Imanes permanentes Imanes permanentes Imanes permanentes
POTENCIA NOMINAL [W] 1500 1500 2000
PARA FRENADO AUTOMATICO 14,0 Auto frenado Auto frenado
MAXIMA VELOCIDAD DEL VIENTO 60,0 - 50,0
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Tabla 4 Generadores eólicos < 5 kW y características técnicas.
CARACTERISTICAS TECNICAS GREEF GH-2K GREEF GV-2K GREEF GV-3K
NUMERO DE HELICES 3 3 3
DIAMETRO DEL ROTOR [m] 3,2 3,7 3,7
MATERIAL HELICES Fibra de vidrio reforzado
Fibra de vidrio
reforzado Fibra de vidrio reforzado SISTEMA DE CONTROL
PWM Electromagnético + PWM Electromagnético + PWM
timón de orientación N/A N/A
PARA FRENADO AUTOMATICO Auto frenado Auto frenado Auto frenado
MAXIMA VELOCIDAD DEL VIENTO 40,0 50,0 50,0
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Tabla 5 Ficha técnica generador eólico de 2 kW tipo VAWT.
Model GV-2KW
Rated Power 2000W
Max Power 2500W
Rated Rotor Speed 120rpm Start Torque <0.3N.M
Blades Height 3.7m (12.14 ft.) Blades Rotor Diameter 2.6m(8.528 ft.) Blades
Generator Type Three-phase AC out rotor disc permanent magnet direct drive generator Protection Method Electromagnetic brake+PWM Generator Weight /Top
Weight 51kg/177kg
Swept Area 9.62 M2
System type Off/on-Grid solar wind hybrid controller
Controller off/on- Grid invertor
Invertor Free folding tower
Tower Type 6m (19.68ft.)
Tower Height B
Insulation Grade IP54
Protection Grade -40℃ - 50℃ Working Termperature 20 Years
Life time 20 Years
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Figura 8 Generador eólico tipo VAWT de 2 kW.
Fuente: (Qingdao Greef new energy equipment CO.,ltd, 2015)
2.3.2 Selección paneles fotovoltaicos.
La radiación solar en Colombia permite la aplicación de la tecnología fotovoltaica para la obtención de energía eléctrica. UPME, IDEAM, (2005) afirman que:
En general, Colombia tiene un buen potencial energético solar en todo el territorio, con un promedio diario multianual cercano a 4,5 kWh/m2 (destacándose la península de La Guajira, con un valor promedio de 6,0 kWh/m2 y la Orinoquia, con un valor un poco menor), propicio para un adecuado aprovechamiento. (p.19, 20)
Por lo tanto el panel fotovoltaico se selecciona de las distintas marcas comerciales disponibles, la potencia de los paneles fotovoltaicos debe ser mayor a 250 Wp y eficiencia superiores al 16%.
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Tabla 6 Paneles fotovoltaicos (PV) y características técnicas comerciales.
Irradiación 1000 W/m2
Características Técnicas JINKO SOLAR JA SOLAR SUNTECH WEAMEISOLAR
Referencia JKM265P-60
JAM6-60-265/SI
STP265S-20
Wem 265
Tecnología Policristalino Monocristalino Monocristalino Policristalino
Potencia Nominal [W] 265 265 265 265
Dimensiones [mm] 1650X992X40 1650X991X40 1640X992X35 1640x992x40
Área [m2] 1,636800 1,635150 1,626880 1,626880
Peso [kg] 18,5 19,5 18,2 18,5
Máxima Carga [Pa] Viento 2400 Pa /245 kg/m2 Nieve 5400 Pa/550 kg/m2 Temperatura de operación[ C] -40 a 85 -40 a 85 -40 a 85 -40 a 85
Características Técnicas UPSOLAR LDK ATERSA
CANADIAN SOLAR
Referencia UP-M270M 270 MA A-270M GSE 270 MA
Tecnología Monocristalino Monocristalino Monocristalino Monocristalino
Potencia Nominal [W] 270 270 270 270
Dimensiones [mm] 1640X992X40 1636x986x35 1638X995X40 1650X992X40
Área [m2] 1,626880 1,613096 1,629810 1,636800
Peso [kg] 19 18,5 18,7 18,2
Máxima Carga [Pa] Viento 2400 Pa /245 kg/m2 Nieve 5400 Pa/550 kg/m2 Temperatura de operación[ C] -40 a 90 -40 a 85 -40 a 85 -40 a 85
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Tabla 6 Paneles fotovoltaicos (PV) y características técnicas comerciales
Irradiación 1000 W/m2
Características Técnicas JINGLI SOLAR SOLARWORD SUNTECH SUNPOWER
Referencia YL280C- 3b SW280 MONO
STP280S-20/
Wem X21-335-BLK Tecnología Monocristalino Monocristalino Monocristalino Monocristalino
Potencia Nominal [W] 280 280 280 335
Tensión a Pmax (Vmp) [(V] 31,3 31,2 31,5 57,3
Corriente a Pmax(Imp) [A] 8,96 9,07 8.89 5,85
Tensión a circuito
abierto(Voc)[V] 39,1 39,5 39,4 67,9
Corriente de cortocircuito
(Isc) [A] 9,5 9,71 9,41 6,23
Tolerancia de potencia + 5 / 0% + 5 / 0% + 5 / 0% + 5 / 0%
Eficiencia [%] 16,9 16,7 17,2 21,1
Dimensiones [mm] 1650X990X40 1675X1001X31 1640X992X35 1559x1046x46
Área [m2] 1,633500 1,676675 1,626880 1,630714
Peso [kg] 18,5 17,9 18,2 18,6
Máxima Carga [Pa] Viento 2400 Pa /245 kg/m2 Nieve 5400 Pa/550 kg/m2 Temperatura de operación[ C] -40 a 85 -40 a 85 -40 a 85 -40 a 85
40
Figura 9 Ficha técnica PV 280 Wp marca SUNTECH
Fuente: (Wuxi Suntech Power Co., Ltd, Sf)
Figura 10 Curva característica del panel solar 280 W marca SUNTECH
41 2.3.3 Selección de controlador solar
Los controladores a seleccionar deben ser de tecnología de Seguimiento Punto de Máxima Potencia (MPPT por sus siglas en inglés), pueden encontrar el punto en el que la fuente de energía opera de forma más eficiente, y luego cargar las baterías. Los controladores de carga de MPPT se utilizan normalmente en sistemas de mayor tamaño, y permiten el uso de módulos de mayor voltaje nominal. Los controladores de tipo MPPT cuestan más que otros controladores de carga, pero puede proporcionar hasta 30% más capacidad de carga desde los paneles solares hacia el banco de baterías.
El controlador solar a seleccionar es para los paneles fotovoltaicos conformado por 2 cadenas de 2 paneles de 280 Wp, con una tensión de salida de 48 VDC y potencia de 1120 W.
En la búsqueda de los controladores existentes se encuentran las siguientes referencias:
Tabla 7 Controladores solares y características técnicas comerciales.
Modelo
42
2.3.4 Selección de inversor regulador hibrido
El inversor debe ser de una potencia igual o mayor a 6 kW monofásico a 120 Voltios, conectados en paralelo para una red trifásica y tensión a 48 voltios DC. Este el dispositivo realiza el proceso de carga a las baterías y transformar la energía DC proveniente de las fuentes fotovoltaicas y eólicas a energía AC; se le denomina unidad de gestión de energía AC.
Tabla 8 Inversores reguladores y características técnicas comerciales.
Modelo Potencia corriente; se especificó la utilización en el diseño tres (3) inversores-reguladores híbridos monofásicos a 120 Voltios.
2.3.5 Selección de inversor de red
Es el dispositivo electrónico encargado realizar el proceso de conversión de una corriente DC generada por los paneles fotovoltaicos a una corriente alterna AC con valores de tensión adecuados para sincronizar a la red eléctrica, conectar e inyectar la energía producida.
43
En el diseño se planteó la conexión ON GRID de 24 paneles fotovoltaicos con una potencia de 6.720 Vatios. La conexión de los paneles son dos cadenas de 12 paneles.
Tabla 9 Inversores de red y características técnicas comerciales.
Modelo corriente; se especificó la utilización en el diseño de un (1) inversores de red.
Se debe implementar un transformador reductor con bajas pérdidas para acoplar al nivel tensión normalizados en Colombia.
2.3.6 Selección de baterías
Las baterías es un dispositivo de almacenamiento de energía para suplir una carga en caso de fallas en la red, la energía almacenada es la generada de los paneles fotovoltaicos y generadores eólicos.
Es necesario calcular los bancos de baterías de 48 VDC para suplir una carga de la estación base, cumpliendo las especificaciones para conexión de los tres inversores-reguladores Zigor de 6 kVA. [24]
44
Tabla 10 Baterías y características técnicas comerciales.
Modelo Fabricante Tensión [V]
La batería seleccionada es Modelo 12CS11P de 530 A.h de la marca Rolls
El Inversor hibrido monofásico Zigor Solar HIS1 6 KVA seleccionado tiene una limitante para la carga de la batería de 60 Amperios, regularmente los fabricantes recomiendan cargar las baterías a máximo el 10% de la capacidad para prolongar la vida útil de la batería. Por lo tanto se especifica la corriente de carga a 32 Amperios, es decir se carga al 6,0 %. La configuración del banco de baterías por cada inversor es de cuatro baterías de 530 A.h de 12 VDC, conectadas en serie para obtener los 48 VDC. El total de las baterías son 16 unidades.
45 Tabla 11 Consumo de energía diario.
Descripción de la Carga Potencia [W] 200W) carga por módulo 1600 W
Luz de obstrucción Led 20 W
Se realiza el cálculo de la autonomía de banco de baterías soportando la carga en condiciones normales, con una profundidad de descarga del 50%. (Enríquez Harper, 2014)
Cálculo de la Autonomía del banco de baterías especificado.
La Capacidad Almacenamiento del Banco de Baterías (CABB) cuyas unidades son amperios hora depende de la energía consumida por la carga de la estación base en un día (Ed) y la profundidad de descarga (P); dividido en la eficiencia del inversor (ղ), la tensión del banco de baterías (Vbb) y la autonomía (A).
Se despeja la autonomía, dando como resultado la siguiente ecuación:
46
La batería seleccionada es 530 [A.h] a 12 VDC tecnología AGM, se conectan cuatro baterías en serie para obtener una tensión de 48 VDC para cada uno de las tres unidades de gestión de energía AC cuya eficiencia de conversión de DC a AC es de 80%, por lo tanto la energía diaria a soportar el banco de baterías es 106.267 [W*h] día con una profundidad de descarga del 50%.
Cálculos:
El cálculo de la autonomía del banco de baterías soportando el total de la carga es 0,096 días o 2 horas y 18 min, es decir si se presenta un corte de energía de la red, después de este tiempo entra en funcionamiento el generador diesel; El tiempo es el mínimo de autonomía de las baterías cargadas totalmente; si los generadores eólicos y los paneles fotovoltaicos conectados al sistema no se encuentran generando energía, el tiempo de autonomía de las baterías aumenta o si el sistema se encuentra en equilibrio suple la carga y si tiene excedentes de energía puede cargar las baterías.
2.4 CALCULOS ELECTRICO DE LA MICRO-RED.
Para el diseño de las instalaciones eléctricas de la micro-red de la estación se deben cumplir la normatividad Colombiana.
Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE) resolución No 90708 de 30 de Agosto de 2013.
Código Eléctrico Colombiano, NTC 2050, Primera Actualización del 1998-11- 25.
En el cálculo y dimensionamiento de ductos, conductores y protecciones se debe analizar los valores de tensión, corriente máxima y características de cada tramo de la micro-red; realizando el análisis del flujo de potencia.
47 2.4.1 Especificación tramos de la micro-red
En el análisis se definen los tramos, valores de tensión y corriente nominales a partir de los cuales se dimensionan y selecciona los elementos de la instalación eléctrica.
En la figura 7, incluye la asignación de letra para la identificación de los tramos, así como los valores nominales de tensión AC y DC. El inversor cargador hibrido monofásico 6000 [W] utilizados son tres se evalúa los tramos AC y DC de una línea debido a que las tres líneas son idénticas y se conectan a cada una de las fases del sistema trifásico.
2.4.1.1 Tramos AC. Es la división del sistema AC según el recorrido de los cableados entre equipos, cajas de conexiones y tableros eléctricos de la micro-red, de modo que facilite la identificación del cableado, tuberías, tensiones, corrientes y potencias.
En el tramo A-B, consiste entre transformador trifásico 30 [kVA] hasta el armario de medidores, la tensión de operación es 208/120 [VAC], la corriente máxima esperada por fase es 40,67 [A] de una carga típica de la EB de 14.640 [W].
En el tramo B-C, consiste entre el armario de medidores hasta el tablero de conexiones de la micro-red (TCM), la tensión de operación es 208/120[VAC]. En el tramo C-D, consiste entre el tablero de conexiones de la micro-red (TCM) hasta entrada del inversor cargador hibrido de 6000 [W] monofásico, la tensión de operación es 120 [VAC].
En el tramo D-C, consiste entre la salida del inversor cargador hibrido de 6000 [W] monofásico hasta tablero de conexiones de la micro-red (TCM), la tensión de operación es 120 [VAC].
En el Tramo C-E, consiste entre el tablero de conexiones de la micro-red (TCM) hasta el tablero general y transferencia automática (TG), la tensión de operación es 208/120 [VAC], la corriente máxima esperada por fase es 40,67 [A] de una carga típica de la estación base de 14.640 [W].
48
En el Tramo E-F, consiste entre el tablero general y transferencia automática (TG) hasta rectificador de la BTS, la tensión de operación es 208/120[VAC], la corriente máxima esperada por fase es 35,53 [A] de una carga típica de 12.800 [W].
En el Tramo N-C, consiste entre inversor de red trifásico 8000 [W] hasta el tablero de conexiones de la micro-red (TCM), la tensión de operación es 208/120 [VAC], la corriente máxima esperada por fase es 18,67 [A] de una potencia de generación con paneles solares de 6.720 [W].
En el Tramo K-L, consiste entre generador eólico hasta el controlador eólico (CE) de 3000 [W] trifásico, la tensión de entrada 208/120 [VAC], la potencia máxima del generador es 2500 [W] y la corriente máxima es 6,94 [A].
En el Tramo E-H, consiste entre el tablero general y transferencia automática (TG) hasta cada uno de los circuitos auxiliares de la estación base, la tensión de operación es 208/120 [VAC].
Tabla 12 Flujo de potencia AC.
TRAMO DESCRIPCIÒN POTENCIA
49
2.4.1.2 Tramos DC. Es la división del sistema DC según el recorrido de los cableados entre equipos, cajas de conexiones y tableros eléctricos de la micro-red, de modo que facilite la identificación del cableado, tuberías, tensiones, corrientes y potencias.
En el tramo I-J, consiste entre los paneles solares con configuración de conexión de la cadena de 2x2 del panel seleccionado 280 Wp marca SUNTECH STP 280S-20/wem, la tensión de dos paneles conectados en serie en condición STC máxima es 63 [VDC] y la corriente máxima de la cadena de 2x2 conexión serie paralelo de los paneles es 17,78 [A] y potencia máxima 1120 [W], estos valores son para el tramo perteneciente entre la caja de conexiones de los paneles solares hasta el controlador solar.
En el tramo J-D, consiste entre controlador solar hasta la entrada de paneles solares del inversor cargador hibrido de 6000 [W] monofásico, la tensión de operación del controlador solar es 48 [VDC], una corriente máxima de 23,33 [A] y la potencia máxima de conversión es 1120 [W].
En el Tramo L-D, consiste entre controlador eólico (CE) hasta el inversor cargador hibrido de 6000 [W] monofásico, la tensión de salida del controlador eólico es 48 [VDC], la potencia máxima del generador es 2500 [W] y la corriente máxima es 52 [A].
En el Tramo D-O, consiste entre banco de baterías 48 [VDC] hasta la entrada conexión de las baterías del inversor cargador hibrido de 6000 [W] monofásico, la tensión del banco de baterías es 48 [VDC], la corriente máxima de carga del banco de baterías es 32 [A], la corriente de descarga máxima esperada del banco de baterías es 101,67 [A] soportando el total de la carga monofásica.
50 Tabla 13 Flujo de potencia DC.
TRAMO DESCRIPCIÒN POTENCIA
[W]
CONTROLADOR EOLICO HASTA INV/CARG HIBRIDO MONOFASICO DE
Para la selección de los conductores se tiene en cuenta los valores de obtenidos del análisis de flujo de potencia plasmados en la tabla 15 y 16; las perdidas por efecto Joule o la regulación de forma que no supere el 5% acumulado desde cualquier fuente de generación de la micro-red (Paneles fotovoltaicos, generador eólico, generador diesel, baterías) o la red eléctrica externa hasta cualquiera de las cargas como lo expresa la NTC 2050.
Sección 210-19, Inciso a), Nota 4: “Los conductores de circuitos ramales como están definidos en la sección 100, con una sección que evite una caída de tensión superior al 3% en las salidas más lejanas de fuerza, calefacción, alumbrado o cualquier combinación de ellas y en los que la caída máxima de tensión de los circuitos alimentador y ramal hasta la salida más lejana no supere al 5%, ofrecen una eficacia razonable de funcionamiento. Para la caída de tensión en los conductores del alimentador, véase el artículo 215-2”. (INCONTEC, 1998,p 54)
51
Al analizar cada uno de los tramos se selecciona los conductores de la micro-red (ver. Tabla 15 y 16, cálculos de los conductores AC y DC respectivamente) y a continuación se especifica el aislamiento:
El cableado de acometida de la red externa, paneles fotovoltaicos, generador eólico donde los conductores estén expuestos a los rayos del solares, el conductor se selecciona con aislamiento es tipo USE-2 o XHHW-2.
Los conductores de ramales, alimentadores de tableros y equipos de la micro-red se selecciona con aislamiento tipo THHN/THWN-2 CT, para utilización en sitios secos y mojados, montaje sobre bandejas porta-cables, ductos y canalizaciones no expuestos a los rayos solares.
El conductor para la conexión del banco de baterías se selecciona el cable soldador 105 ° C.
Para el cálculo del conductor se considera la temperatura ambiente a 30 ° C, si en el sitio donde se instale la micro-red la temperatura es mayor se debe realizar la corrección por temperatura. (INCONTEC, 1998)
Los conductores de acometida de la red externa y generador diesel se encuentran dimensionados a la potencia del transformador de 30 KVA trifásico, instalación típica de la estación base.
La regulación se calculó a través de la siguiente ecuación:
P: Potencia de la carga [KVA o kW] k: constante de conductor [%/KVA*m] l: longitud del conductor [m]
52 Tabla 14 Calculo de conductores AC.
TRAMO DESCRIPCIÒN POTENCIA [W] LONGITUD [m] CALIBRE (F+N+T)
[AWG]
SISTEMA AC
A-B TRANSFORMADOR 30 KVA HASTA ARMARIO DE MEDIDOR.
14.640
20 3 x2 + 2+ 6
B-C ARMARIO DE MEDIDOR HASTA TCM.
14.640
20 3 x2 + 2+ 6 C-D TCM HASTA INV/CARG HIBRIDO MONOFASICO DE 6000 [W]. 4.880 5 6 + 6+ 8 D-C INV/CARG HIBRIDO MONOFASICO DE 6000 [W] HASTA TCM. 4.880 5 6 + 6+ 8
C-E TCM HASTA TG. 14.640 10 3x2 + 2+ 6
G-E GENERADOR DIESEL HASTA TG. 14.640 15 3x2 + 2+ 6
E-F TG HASTA RECTIFICADOR DE LA BTS. 12.800 15 3x6 + 6+ 8 N-C INVERSOR DE RED DE 8000[W] HASTA TCM. 6.720 6 3x6 + 6+8 F-E GENERADOR EOLICO HASTA CE 3000 [W]. 2.500 30 3x8 + 8+10 E-H TG HASTA CARGA AUXILIARES ESPECIFICAS 1.840
Luminarias exteriores led 280 30 8+8+10
Toma Pre-calentador 1.000 10 10+10+10
Toma Aux BTS 180 15 12+12+12
Toma Aux Microondas 180 15 12+12+12
Toma Aux Torre 180 15 12+12+12
Luz de obstrucción 20 80 12+12+12
53 Tabla 14 Calculo de conductores AC.
TRAMO TIPO DE AISLAMIENTO
CONSTANTE CONDUCTOR [% /
kVA-m]
MOMENTO
ELECTRICO REGULACIÓN [%]
SISTEMA AC
A-B USE-2 1,30761E-03 292,80 0,38%
B-C THHN / THWN- 2 CT 1,30761E-03 292,80 0,38%
C-D THHN / THWN- 2 CT 3,12320E-03 24,40 0,08% D-C THHN / THWN- 2 CT 3,12320E-03 24,40 0,08%
C-E THHN / THWN- 2 CT 1,30761E-03 146,40 0,19%
G-E THHN / THWN- 2 CT 1,30761E-03 219,60 0,29%
E-F THHN / THWN- 2 CT 3,12320E-03 192,00 0,60%
N-C THHN / THWN- 2 CT 3,12320E-03 40,32 0,13% F-E THHN / THWN- 2 CT 4,92117E-03 75,00 0,37%
E-H
THHN / THWN- 2 CT 4,92117E-03 8,40 0,04%
THHN / THWN- 2 CT 4,58283E-02 10,00 0,46%
THHN / THWN- 2 CT 7,13750E-02 2,70 0,19%
THHN / THWN- 2 CT 7,13750E-02 2,70 0,19%
THHN / THWN- 2 CT 7,13750E-02 2,70 0,19%
54 Tabla 15 Calculo de conductores DC.
TRAMO DESCRIPCIÒN POTENCIA [W] LONGITUD [m]
CONTROLADOR EOLICO HASTA INV/CARG HIBRIDO
TRAMO TIPO DE AISLAMIENTO CONDUCTOR [% CONSTANTE
55
2.4.3 Selección de tubería para los conductores
Para la selección de tuberías para los conductores eléctricos de la micro-red se debe cumplir con la NTC 2050 capitulo 3 “Métodos y materiales de las instalaciones” y la Tabla 1 del capítulo 9 “Porcentaje de la sección transversal en tubos conduit y tubería para el llenado de conductores”. (INCONTEC, 1998)
Los conductores previstos a alojar en las tuberías son mayores a dos, por lo tanto el porcentaje de llenado de los conductores no debe superar el 40%.
Las tuberías enterradas o embebidas en concreto deben ser PVC y la profundidad de instalación de 0,30 metros, se demarca a 0,15 metros del tubo con una cinta plástica de riesgo eléctrico, señalizando la presencia de tubería eléctrica.
La tubería expuesta a la intemperie es galvanizada tipo IMC y la tubería expuesta pero no está a la intemperie es EMT.
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3 DISEÑO DE PROTECCIONES ELECTRICAS EN BAJA TENSIÓN PARA LA MICRO-RED DE UNA ESTACIÓN BASE DE COMUNICACIÓN MOVIL
En este capítulo se seleccionan las protecciones en baja tensión de la micro-red contra sobre-corriente y sobretensión para la estación base de comunicación móvil; se inicia evaluando las corrientes de cortocircuito en AC y DC que se puedan presentar en la instalación, según la topología de la micro-red y características eléctricas de las fuentes de generación, red principal, los equipos de conversión, calibres y distancia de conductores; El cálculo de las corrientes de falla del sistema se realiza con el programa ETAP 12.6.0 Demo.
La selección de las protecciones contra sobre-corriente se realiza según las características de cortocircuito de los sistemas calculados, la cual permite definir los dispositivos de protección adecuados preferiblemente de una misma marca. Por último se selecciona la protecciones contra sobretensiones transitorias en los sistemas DC y AC de la micro-red, especificando las protección de los DPS la cual se debe coordina según con la capacidad de falla en el nodo donde se va instalar, para efectos prácticos la protección DC será igual a la protección del circuito al nodo donde va a conectar y en AC tendrá la mayor o igual capacidad de cortocircuito de las protecciones conectadas al barraje donde se especifica la instalación.
3.1 PROTECCIONES PARA MICRO-REDES
La micro-red en baja tensión regularmente son radiales interconectando cargas del sistema, por ser de distribución, Otros pueden ser en anillo pero normalmente se tienen interruptores abiertos y sólo se cierren cuando se abren otras partes de los bucles debido a fallas o maniobras por mantenimiento. (Mirsaeidi, Mat Said,et al., 2014) En el diseño del sistema de protección para micro-redes se debe tener en cuenta lo siguiente: La protección en media tensión, protección de la fuentes de generación, protección de los transformadores de distribución y consideraciones de conexión del neutro a tierra.
Por lo tanto en el estudio de las protecciones de la micro-redes se tienen estrategias de coordinación y los esquemas de protección; que pueden aplicarse para lograr una muy buena protección del sistema.
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La micro-red de la estación base de comunicación móvil es planteada con la estrategia de escalonamiento de tiempo, con varios niveles de protección; de tal forma que si existiese una falla y la protección que debería reaccionar ante la falla no se dispara, por lo tanto la protección del siguiente nivel se debe disparar en un intervalo de tiempo muy pequeño; protegiendo el sistema de forma selectiva. Esto lo podemos observar en la figura 11.
Figura 11 Esquemas de protección de la micro-red de una estación base.
Fuente: Autor
Continuando con las estrategias de protección, plantear un sistema de protección basado en comunicación para una estación base sería muy costoso, porque debe tener una unidad de control central, dispositivos de medida e interruptores del sistema a través de redes de comunicación; donde las unidades de control central analiza las tensiones y corrientes medidas para determinar la ubicación de la falla enviando señales de disparo a los interruptores automáticos más cercanos. (Gopalan, Sreeram, & C. Iu, 2014)
En la micro-red se contemplan las protecciones de los dispositivos de conversión, acondicionamiento, gestión sin tener en cuenta las protecciones internas de estos equipos y comportamiento programados internamente, como parte de su gestión propia, ante los distintos fallos que se puedan presentar.
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Figura 12 Esquemas de protección existentes para micro-redes.
Fuente: (Mirsaeidi, Mat Said,et al., 2014)
La literatura define los esquema de protecciones para micro-redes más utilizados como son: Sobre-corriente y componentes simétricas, protección adaptiva, protección diferencial, protección de distancia, protección basada en voltaje y despliegue de dispositivos externos.(Mirsaeidi, Mat Said,et al., 2014)
La concepción de las instalaciones de baja tensión tiende a prever las protecciones básicas contra tres tipos de fallas: sobrecargas, corto-circuitos y falla de aislamiento; aplicando el esquema de protección por sobre-corriente.
En fallas de aislamiento en baja tensión es controlado específicamente por las protecciones diferenciales, en el caso de las instalaciones eléctricas de estaciones base de comunicación móvil, no se aplican por ser costoso y para evitar saltos inesperados de las protecciones por maniobras, limitando las fallas en el sistema y garantizar la máxima continuidad del servicio; por encontrarse en zonas lejanas y la gran cantidad de estaciones en la red móvil no permitiría la reacción a tiempo para verificar la instalaciones.
