Alternativas de alimentación eléctrica para el Metro Q

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. “ALTERNATIVAS DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA PARA EL METRO DE QUITO”. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO. CARLOS ALBERTO PACHECO JARAMILLO carlosalbertop_2000@hotmail.com. ESTEBAN DARÍO PAREDES VARGAS tebo_dario@hotmail.com. DIRECTOR: ING. FAUSTO GUILLERMO AVILÉS MERINO MSc. fausto.aviles@epn.edu.ec. Quito, Febrero 2014.

(2) i. DECLARACIÓN. Nosotros, Carlos Alberto Pacheco Jaramillo y Esteban Darío Paredes Vargas, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. ___________________________ Carlos Alberto Pacheco Jaramillo. __________________________ Esteban Darío Paredes Vargas.

(3) ii. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Carlos Alberto Pacheco Jaramillo y Esteban Darío Paredes Vargas, bajo mi supervisión.. _________________________________. Ing. Fausto G. Avilés DIRECTOR DE PROYECTO.

(4) iii. AGRADECIMIENTOS Al finalizar un trabajo arduo y lleno de dificultades, como lo fue el desarrollo del presente proyecto de titulación profesional, es inevitable el asalto de emociones humanas como la satisfacción y la felicidad. Sin embargo un análisis objetivo, muestra que el aporte realizado y plasmado en las páginas del presente documento no hubiese sido posible sin la participación de personas e instituciones que han facilitado las cosas para que este trabajo llegue a un feliz término. Por ello, es para nosotros un verdadero placer utilizar este espacio para ser justo y consecuente con ellas, expresándoles nuestros más sinceros agradecimientos.. Al Ingeniero Fausto G. Avilés por aceptarnos para realizar este proyecto de titulación profesional bajo su dirección. Su apoyo y confianza en nuestro trabajo, así como su capacidad para guiar nuestras ideas ha sido un aporte invaluable.. Al Departamento de Planificación Técnica de la Empresa Eléctrica Quito, por habernos facilitado siempre los medios suficientes para llevar a cabo todas las actividades propuestas durante el desarrollo de este proyecto de titulación profesional, y en especial a su Director el Ingeniero Medardo Castillo, que con ideas propias siempre enmarcadas en su orientación y rigurosidad, han sido la clave del buen trabajo que hemos realizado.. Y a las personas que nos colaboraron incondicionalmente en la obtención de este trabajo, como son nuestros padres, familiares y amigos, por el inmenso apoyo y compresión que siempre nos han brindado durante toda nuestra formación profesional..

(5) iv. DEDICATORIA El presente proyecto de titulación profesional está dedicado. A mis padres por ser los pilares fundamentales de todo lo que soy y por su incondicional apoyo durante mi formación profesional. A mi querida abuelita María Sabina Collantes Albarracín por su cariño y amor mantenido perfectamente intacto a través del tiempo, quien no solamente llena de alegría mi corazón sino también me ha dado a mi querida familia, siendo este el regalo más apreciado que tengo. A mis queridos tíos por ser los hombres más trabajadores y unidos del mundo, a mis queridas tías por ser las madres más tiernas y a mis queridos primos y primas que son como mis hermanos y hermanas. Y a mis inolvidables amigos por todos esos momentos felices, tristes y difíciles que vivimos durante nuestra formación profesional en las aulas de nuestra querida carrera de Ingeniería Eléctrica. Carlos Alberto Pacheco Jaramillo. Jaramillo.. Porque el camino que he labrado hasta este momento ha sido fruto de la paciencia y amor infinito de mis padres, porque he tenido la fortuna de tener abuelitos maravillosos que han sido un ejemplo de vida y realmente las mejores personas que he conocido, aunque algunos de ellos se hayan adelantado en el irremediable viaje al encuentro con el creador, porque he compartido ocurrencias y experiencias de vida con mi hermano quien ha sido un buen hombre y junto a su esposa me han regalado a un ángel terrenal. A todos ellos y a mis amigos del alma les dedico con humildad el esfuerzo, dedicación y empeño que he puesto en el presente proyecto de titulación profesional. Esteban Darío Paredes Vargas. "Sé firme como una torre, cuya cúspide no se doblega jamás al embate de los tiempos" Dante Alighieri (1265 – 1321), poeta italiano La Divina Comedia. Purgatorio, Canto V, sentencia 14-1.

(6) v. ÍNDICE GENERAL Declaración………………………………………………………………………………..i Certificación………………………………………………………………………….......ii Agradecimientos………………………………………………………………………..iii Dedicatoria……………………………………………………………………………….iv Índice general…………………………………………………………………………….v Índice de figuras………………………………………………………………………...xi Índice de tablas………………………………………………………………………..xvi Índice de anexos………………………………………………………………………xix Resumen…………………………………………………………………………........xxii Presentación………………………………………………………………………….xxiv CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN 1.1 Antecedentes……….……………...………………………………………………..1 1.2 Propuesta del Proyecto……….………..………………………………………….3 1.2.1 Objetivos…………………………...…………………………………………...3 1.2.1.1 Objetivo General…………….………………………………………..3 1.2.1.2 Objetivos Específicos……………………………..…………………3 1.2.2 Alcance………………………………………………………………………...4 1.2.3 Justificación…………………………………………………………………...4 1.3 Sistemas de transportes eléctricos masivos………………………………….5 1.4 El Metro……………………………………………………………………………….8 1.4.1 El Metro en Latinoamérica……………………………...……………………8 1.4.1.1 Situación Actual en América Latina………………………………10 1.4.2 Funcionamiento del Metro…………………………………………………..12 1.4.2.1 Alimentación AC………………………………………………........13 1.4.2.2 Subestaciones de Rectificación o Tracción……………………..14 1.4.2.2.1 Rectificación AC/DC……………………………………16 1.4.2.3 Riel de Alimentación o Barra Guía……………………………….18 1.4.2.4 Alimentación al Motor……………………………………………...18 1.5 El Metro de Quito…………………………………………………………………..21 1.5.1 Descripción del Proyecto……………………………………………….........21 1.5.2 Recorrido del Metro-Q………………………………………………………..23.

(7) vi. CAPÍTULO II: PRONÓSTICO DE LA DEMANDA 2.1 Métodos de Proyección…………………………………………………………..26 2.1.1 Métodos Perspectivos……………………………………………………….27 2.1.1.1 Métodos Estadísticos……………………………………………….27 2.1.1.2 Métodos Econométricos……………………………………….......27 2.1.2 Métodos de confrontación Oferta-Demanda………………………………27 2.1.3 Métodos Basados en un GIS……………………………………………….28 2.2 Métodos Estadísticos....................................................................................28 2.2.1 Regresión…………………………………………………………………….28 2.2.1.1 Diagrama de Dispersión……………………………………………29 2.2.2 Regresión Lineal…………………………………………………………….30 2.2.2.1 Error Estándar…………………………………………………........32 2.2.2.2 Análisis de Correlación……………………………………………33 2.2.2.2.1 Coeficiente de Determinación…………………………33 2.2.2.2.2 Coeficiente de Correlación……………………….........34 2.2.3 Series de Tiempo……………………………………………………………35 2.2.3.1 Tendencia Secular…………………………………………………35 2.2.3.2 Fluctuaciones Cíclicas…………………………………………….36 2.2.3.3 Variación Estacional…………………………………………........36 2.2.3.4 Variación Irregular……………………………………………........37 2.2.4 Regresión Cuadrática……………………………………………………….37 2.2.5 Regresión Exponencial…………….……………………………………….39 2.2.6 Tasa de Crecimiento………………………………………………………..42 2.3 Pronóstico de la Demanda Eléctrica…………………………………………..43 2.4 Metodología del Pronóstico de la Demanda Eléctrica de la E.E.Q……….45 2.5 Proyección de la Demanda………………………………………………..…….48 2.5.1 Análisis de la Proyección…………………………………………………...48 2.5.1.1 Proyección Subestación Chilibulo………………………………...50 2.5.1.2 Proyección Subestación Vicentina………………………………..51 2.5.1.3 Proyección Subestación Selva Alegre………………………........52 2.5.1.4 Proyección Subestación Mirador Alto…………………………….53.

(8) vii. 2.5.1.5 Proyección Subestación Eplicachima……………………………54 2.5.1.6 Proyección Sistema Eléctrico Quito………………………………55 CAPÍTULO III: DIAGNÓSTICO DEL SISTEMA DE LA EMPRESA ELÉCTRICA QUITO 3.1 Descripción del Sistema de la E.E.Q…………………………………………..57 3.1.1 Área de Concesión…………………………………………………………..57 3.1.2 Puntos de Conexión con el SNT………………..…………………….........58 3.1.3 Centrales de Generación……………………….…………………………...58 3.1.4 Subestaciones de Distribución………………….…………………...…….59 3.1.4.1 Subestaciones de 46/6.3kV.………………………………………60 3.1.4.2 Subestaciones de 46/23kV….…………………………………….61 3.1.4.3 Subestaciones de 138/23kV………………………………………61 3.1.4.4 Subestación de 46/13.8kV…...……………………………………64 3.1.5 Redes de Distribución……………………………………………………….64 3.2 Situación Actual y Futura de las Subestaciones de Distribución……......65 3.2.1 Subestaciones de 46/6.3kV………………………………………………...65 3.2.1.1 Situación Actual…………………………………………………….65 3.2.1.2 Situación Futura……………………………………………………70 3.2.2 Subestaciones de 46/23kV…………………………………………….......76 3.2.2.1 Situación Actual…………………………………………………….76 3.2.2.2 Situación Futura……………………………………………………79 3.2.3 Subestaciones de 138/23kV………………………………………….…….82 3.2.3.1 Situación Actual…......………….................................................82 3.2.3.2 Situación Futura……..……….……………………………………83 3.3 Diagnóstico del Sistema…………………………………………………………91 CAPÍTULO. IV:. ESTUDIO. ELÉCTRICO. DE. LAS. ALTERNATIVAS. DE. ALIMENTACIÓN PARA EL SISTEMA DE TRANSPORTE METRO-Q 4.1 Estudio Eléctrico…………………………………………………………………..97 4.1.1 Consideraciones……………………………………………………………...97 4.1.2 Datos utilizados………...…………………………………………………….99.

(9) viii. 4.1.2.1 Base de datos………………………………………………………99 4.1.2.2 Demanda…………………………………………………………..100 4.1.2.3 Alimentadores primarios para el Metro-Q………………..……..101 4.1.2.4 Regulación CONELEC No. 004/01…..…………………..……..101 4.2 Alimentación desde el sistema de 46 kV…………………………………….102 4.2.1 Voltajes………………………………….………………………………........106 4.2.1.1 Barras de 46 kV……………………………………………………106 4.2.1.1.1 Caídas de voltaje……………………………………….106 4.2.1.1.2 Perfil de voltaje…………………………………………108 4.2.1.2 Barras de 6.3 kV………………………………………………......110 4.2.1.2.1 Caídas de voltaje…………...………………………….110 4.2.1.2.2 Perfil de voltaje……………..………………………….111 4.2.1.3 Barras de 23 kV…………………..……………………………….113 4.2.1.4 Barras de 1.5 kVDC…………………..……………………………115 4.2.2 Cargabilidad de transformadores……………....……...………………….117 4.2.2.1 Transformadores de 138/46 kV…………...……………………..117 4.2.2.2 Transformadores de 46/6.3 kV…………………………………..119 4.2.2.3 Transformadores de 23/1.5 kV….……………………………….123 4.2.3 Cargabilidad de líneas y alimentadores…………...……………………..125 4.2.3.1 Líneas de 46 kV…………………………..………………….........125 4.2.3.2 Alimentadores de 23 kV…………………..……………………...127 4.2.4 Conclusiones del estudio eléctrico.…………….……….………………..129 4.3 Alimentación desde el sistema de 138 kV…………..………………………131 4.3.1 Voltajes………………………………….…………………………………...136 4.3.1.1 Barras de 138 kV………………………………………………..…136 4.3.1.1.1 Caídas de voltaje…………..……………………………136 4.3.1.1.2 Perfil de voltaje………………………………………….138 4.3.1.2 Barras de 23 kV…………………………………………………….141 4.3.1.2.1 Perfil de voltaje…………………………………………..141 4.3.1.3 Barras de 1.5 kVDC………………………………………………….146 4.3.2 Cargabilidad de transformadores………………………………………......149 4.3.2.1 Transformadores de 230/138 kV….……………………………....149.

(10) ix. 4.3.2.2 Transformadores de 138/23 kV……………..……………………152 4.3.2.3 Transformadores de 23/1.5 kV….………...……..….……………156 4.3.3 Cargabilidad de líneas y alimentadores…………….…….….……..……158 4.3.3.1 Líneas de 138 kV……………..………………………...………….158 4.3.3.2 Alimentadores de 23 kV………………………………...…………162 4.3.4 Análisis de contingencias……………..………………………..………….165 4.3.4.1 Salida de un transformador de 138/23 kV del sistema Metro-Q………………………………………….......166 4.3.4.1.1 Perfil de voltaje en barras de 23 kV…………………166 4.3.4.1.2 Cargabilidad de transformadores de 138/23 kV y líneas de 138 kV……………………………………171 4.3.4.1.3 Cargabilidad de alimentadores y circuitos de 23 kV………………………………….177 4.3.4.2 Salida de una línea de 138 kV………………………….………..182 4.3.4.2.1 Perfil de Voltaje en barras de 138 kV……..…………183 4.3.4.2.2 Cargabilidad de transformadores de 138/23 kV y líneas de 138 kV……………………………………185 4.3.4.3 Salida de un circuito alimentador de 23 kV…………………189 4.3.5 Conclusiones del estudio eléctrico………..……….………………….194 4.4 Dimensionamiento de transformadores y conductores de alimentación…………………………………………………………………………...198 4.4.1 Dimensionamiento de transformadores de 138/23 kV………………….198 4.4.2 Dimensionamiento de conductores de 23 kV...………………………….200 4.4.2.1 Salida de un transformador de 138/23 kV………………………202 4.5 Recomendación de alternativa de alimentación…………….…….……….207 CAPÍTULO V: EVALUACIÓN ECONÓMICO-FINANCIERO 5.1 Análisis económico-financiero………………………………………………..212 5.1.1 Indicadores de evaluación económica…………………………………..214 5.1.1.1 Valor Actual Neto (VAN)………….………………………………215 5.1.1.2 Tasa Interna de Retorno (TIR)…….……………………………..216 5.1.1.2.1 Tasa Mínima Atractiva de Rendimiento (TMAR)……216.

(11) x. 5.1.1.3 Relación Beneficio-Costo (B/C)………..………………...217 5.1.1.4 Periodo de Recuperación de la Inversión (PRI)…..……218 5.1.2 Depreciación…………………………………………………………219 5.1.2.1 Valor Residual………………………………………………219 5.1.2.2 Activos fijos depreciables……………………..……………220 5.1.2.3 Activos fijos no depreciables………………………………220 5.1.2.3.1 Plusvalía…………………………………………..220 5.1.2.4 Métodos de depreciación…………………………...……...220 5.1.2.4.1 Método de línea recta…………………..………..220 5.1.2.4.2 Método de la suma de dígitos anuales..………221 5.1.2.4.3 Método de doble cuota sobre el valor que decrece222 5.2 Evaluación Económico-Financiero para la alimentación del Metro-Q…224 5.2.1 Análisis de costos…………………………………………………………..224 5.2.2 Presupuesto……………………………………...………………………....229 5.2.3 Plan de inversión………………………………...…………………….......231 5.2.4 Proyección de ingresos………………………...…………………………237 5.2.5 Proyección de gastos…………………………..………………………….240 5.2.6 Evaluación Económica de las alternativas de alimentación………….243 5.2.6.1 Análisis de sensibilidad……………………………….…………251 5.3 Financiamiento para la alimentación del sistema de transporte Metro-Q…….252 5.4 Beneficio social…………………………………………………………………..253 CAPITULO VI: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 Conclusiones……………………………………………………………………..255 6.2 Recomendaciones……………………………………………………………….257 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………………......259 ANEXOS………………………………………………………………………………..263.

(12) xi. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1: Esquema simplificado del sistema de alimentación del Metro………..12 Figura 1.2: Anillo abierto alimentado desde los extremos………………………….13 Figura 1.3: Anillo cerrado alimentado desde tres puntos....………………………..14 Figura 1.4: Otra forma de alimentación AC....……………………………………….14 Figura 1.5: Esquema de Conexión típica entre subestaciones de tracción………16 Figura 1.6: Rectificador de 12 pulsos........…………………………………………...17 Figura 1.7: Rectificador tipo puente de Graëtz trifásico con diodos..........………..17 Figura 1.8: Circuito de alimentación DC......………………………………………….18 Figura 1.9: Diagrama unifilar del ondulador autónomo.........……………………….20 Figura 1.10: Ruta del Metro-Q.............………………………………………………..25 Figura 2.1: Tipos de regresiones.......................……………………………………..30 Figura 2.2: Interpretación del coeficiente de correlación........…………………......35 Figura 2.3: Tendencia secular......….………………………………………………….36 Figura 2.4: Fluctuación cíclica......….………………………………………………….36 Figura 2.5: Variación estacional.....……………………………………………….......37 Figura 2.6: Esquema generalizado de un pronóstico……………………………….43 Figura 2.7: Proyección 2013-2023 S/E Chilibulo……………………………............50 Figura 2.8: Proyección 2016-2023 S/E Vicentina……………………………….......51 Figura 2.9: Proyección 2016-2023 S/E Selva Alegre………………………………..52 Figura 2.10: Proyección 2016-2023 S/E Mirador Alto……………………………….53 Figura 2.11: Proyección 2016-2023 S/E Eplicachima……………………………….54 Figura 2.12: Proyección de demanda 2011-2023……………………………….......54 Figura 3.1: Área de concesión de la E.E.Q…………………………………………..57 Figura 3.2: Cargabilidades individuales de las subestaciones 46/6.3 kV año 2012 y 2016.…...................................................................................................................74 Figura 3.3: Cargabilidad individual con la inclusión del sistema Metro-Q en Subestaciones de 46/6.3 kV…………………………………………………………………….76. Figura 3.4: Cargabilidad individual de las subestaciones 46/23 kV……………….81 Figura 3.5: Cargabilidad individual de las subestaciones 138/23 kV……………...90 Figura 3.6: Cargabilidad global 2012 y 2016…………………………………….......91.

(13) xii. Figura 3.7: Efecto en las cargabilidades con el ingreso del sistema Metro-Q.......93 Figura 4.1: Diagrama Unifilar del sistema Metro-Q………………………………...100 Figura 4.2: Primera alternativa de alimentación desde el sistema de 46 kV……104 Figura 4.3: Segunda alternativa de alimentación desde la red de 46 kV………..105 Figura 4.4: Voltajes en barras de 46 kV Primera alternativa……………………...106 Figura 4.5: Voltajes en barras de 46 kV Segunda alternativa…………………….107 Figura 4.6: Perfil de Voltaje en barras de 46 kV en p.u Primera alternativa…….108 Figura 4.7: Perfil de Voltaje en barras de 46 kV en p.u Segunda alternativa......109 Figura 4.8: Voltajes en barras de 6.3 kV Primera alternativa……………………..110 Figura 4.9: Caídas de voltaje en barras de 6.3 kV Segunda alternativa…….......110 Figura 4.10: Perfil de voltaje en barras de 6.3 kV en p.u Primera alternativa…..112 Figura 4.11: Perfil de voltaje en barras de 6.3 kV Segunda alternativa………….112 Figura 4.12: Perfil de voltaje en barras de 23 kV en p.u Primera alternativa.......113 Figura 4.13: Perfil de voltaje en barras de 23 kV en p.u Segunda alternativa….114 Figura 4.14: Perfil de voltaje en barras de 1.5 kV en p.u Primera alternativa…..115 Figura 4.15: Perfil de voltaje en barras de 1.5 kV en p.u Segunda alternativa…116 Figura 4.16: Cargabilidad de transformadores de 138/46 kV Primera alternativa……..118 Figura 4.17: Cargabilidad de transformadores de 138/46 kV Segunda alternativa…...118 Figura 4.18: Cargabilidad de transformadores de 46/6.3 kV Primera alternativa……..120 Figura 4.19: Cargabilidad de transformadores de 46/6.3 kV Segunda Alternativa........120 Figura 4.20: Cargabilidad de transformadores de 23/1.5 kV Primera alternativa……...124 Figura 4.21: Cargabilidad de transformadores de 23/1.5 kV Segunda alternativa.......124 Figura 4.22: Cargabilidad de líneas de 46 kV Primera alternativa…………………….125 Figura 4.23: Cargabilidad de líneas de 46 kV Segunda alternativa………….......126 Figura 4.24: Cargabilidad de Alimentadores de 23 kV Primera alternativa……..128 Figura 4.25: Cargabilidad de alimentadores de 23 kV Segunda alternativa…….128 Figura 4.26: Alimentación desde la red de 138 kV Primera alternativa………….133 Figura 4.27: Alimentación desde la red de 138 kV Segunda alternativa……......134 Figura 4.28: Tercera alternativa de alimentación desde el sistema de 138 kV………..135 Figura 4.29: Caída de voltaje en barras de 138 kV Primera alternativa…….......136 Figura 4.30: Caída de Voltaje en barras de 138 kV Segunda alternativa……….136 Figura 4.31: Caída de voltaje en barras de 138 kV Tercera alternativa…………137 Figura 4.32: Perfil de Voltaje en barras de 138 kV en p.u. Primera alternativa………..138.

(14) xiii. Figura 4.33: Perfil de voltaje barras de 138 kV en p.u. Segunda alternativa.......139 Figura 4.34: Perfil de Voltaje en barras de 138 kV en p.u. Tercera alternativa………..139 Figura 4.35: Perfil de Voltaje en barras de 23kV Primera alternativa……………141 Figura 4.36: Perfil de Voltaje en barras de 23kV Segunda alternativa…………..141 Figura 4.37: Perfil de Voltaje en barras de 23kV Tercera alternativa……………142 Figura 4.38: Perfil de voltaje en barras de 23kV en p.u del sistema Metro-Q Primera alternativa……………………………………………………………………………………….144. Figura 4.39: Perfil de voltaje en barras de 23kV en p.u del sistema Metro-Q Segunda alternativa……………………………………………………………………………………….144. Figura 4.40: Perfil de voltaje en barras de 23kV en p.u del sistema Metro-Q Tercera alternativa………………………………………………………………………………..145. Figura 4.41: Perfil de voltaje en barras de 1.5kV en p.u del Sistema Metro-Q Primera alternativa………………………………………………………………………………..147. Figura 4.42: Perfil de voltaje en barras de 1.5 kV en p.u del sistema Metro-Q Segunda alternativa………………………………………………………………………………..147. Figura 4.43: Perfil de voltaje en barras de 1.5 kV en p.u del sistema Metro-Q Tercera alternativa………………………………………………………………………………..148. Figura 4.44: Cargabilidad Transformadores 230/138kV Primera alternativa.......149 Figura 4.45: Cargabilidad de transformadores 230/138 kV Segunda alternativa…......150 Figura 4.46: Cargabilidad Transformadores 230/138kV Tercera alternativa………….150 Figura 4.47: Cargabilidad Transformadores 138/23 kV Primera alternativa…………..152 Figura 4.48: Cargabilidad de transformadores 138/23 kV Segunda alternativa….......153 Figura 4.49: Cargabilidad de transformadores 138/23 kV Tercera alternativa………..153 Figura 4.50: Cargabilidad Transformadores 23/1.5 kV Primera alternativa……..156 Figura 4.51: Cargabilidad Transformadores 23/1.5 kV Segunda alternativa.......156 Figura 4.52: Cargabilidad Transformadores 23/1.5 kV Tercera alternativa……..157 Figura 4.53: Cargabilidad de líneas de 138 kV Primera alternativa…………......158 Figura 4.54: Cargabilidad de líneas de 138 kV Segunda alternativa…………….159 Figura 4.55: Cargabilidad de líneas de transmisión de 138 kV Tercera alternativa…..160 Figura 4.56: Cargabilidad de alimentadores de 23 kV Primera alternativa….......162 Figura 4.57: Cargabilidad de alimentadores de 23 kV Segunda alternativa…….163 Figura 4.58: Cargabilidad de alimentadores de 23 kV Tercera alternativa……...163.

(15) xiv. Figura 4.59: Perfiles de voltajes en barras de 23kV ante la salida de un transformador de 138/23 kV Primera alternativa…………………………………...167 Figura 4.60: Perfiles de voltajes en barras de 23 kV ante la salida de un transformador de 138/23 kV Segunda alternativa………………………………….167 Figura 4.61: Perfiles de voltajes en barras de 23 kV ante la salida de un transformador de 138/23 kV Tercera alternativa………………………………......168 Figura 4.62: Cargabilidad de Transformadores de 138/23 kV y Líneas de 138 kV Primera alternativa……………………………………………..................................171 Figura 4.63: Cargabilidad de Transformadores de 138/23 kV y Líneas de 138 kV Segunda alternativa……………………………………………................................172 Figura 4.64: Cargabilidad de Transformadores de 138/23 kV y Líneas de 138 kV Tercera alternativa……………………………………………..................................172 Figura 4.65: Cargabilidad de Alimentadores y Circuitos de 23 kV Primera alternativa.............................................................................................................177 Figura 4.66: Cargabilidad de alimentadores y circuitos de 23 kV Segunda alternativa……………………………………………………………………………….178 Figura 4.67: Cargabilidad de alimentadores y circuitos de 23 kV Tercera alternativa……………………………………………………………………………….178 Figura 4.68: Perfiles de voltajes barras de 138 kV Primera alternativa……........183 Figura 4.69: Perfiles de Voltajes en barras de 138 kV Segunda alternativa…….184 Figura 4.70: Perfiles de Voltajes en barras de 138 kV Tercera alternativa……...184 Figura 4.71: Cargabilidad de Transformadores de 138/23 kV y Líneas de 138 kV Primera alternativa……………………………………............................................................186. Figura 4.72: Cargabilidad de Transformadores de 138/23 kV y Líneas de 138 kV Segunda alternativa………………….………………………………………………….186. Figura 4.73: Cargabilidad de Transformadores de 138/23 kV y Líneas de 138 kV Tercera alternativa……………………………………………………………...........................187. Figura 4.74: Cargabilidad en el circuito alimentador de 23 kV Primera alternativa…...190 Figura 4.75: Cargabilidad en el circuito alimentador de 23 kV Segunda alternativa….191 Figura 4.76: Cargabilidad en el circuito alimentador de 23 kV Tercera alternativa…...191 Figura 4.77: Flujo máximo en los transformadores de 138/23 kV………………..199 Figura 4.78: Cambio de conductor en los alimentadores sobrecargados de 23 kV…………203 Figura 4.79: Cambio de conductor para los circuitos de 23 kV………………………..205.

(16) xv. Figura 5.1: Ejemplo de cálculo del PRI..…………………………………………….218 Figura 5.2: Formato para los presupuestos de materiales y equipos……………228 Figura 5.3: Formato para los costos totales de las obras…………………………228.

(17) xvi. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1: Características principales de Metros en Latinoamérica……………….10 Tabla 3.1: Subestaciones de 46/6.3 kV……………………………………………….60 Tabla 3.2: Subestaciones de 46/23kV………………………………………………...61 Tabla 3.3: Subestaciones de 138/23 kV. …………………………………………….61 Tabla 3.4: Situación actual de subestaciones de 46/6.3 kV………………………..67 Tabla 3.5: Situación futura 2016 de subestaciones de 46/6.3 kV………………….71 Tabla 3.6: Subestaciones de 46/6.3 kV y 46/23 kV cercanas al recorrido del Metro-Q…….….75 Tabla 3.7: Situación actual de subestaciones de 46/23 kV……..…………………..…..77 Tabla 3.8: Situación futura 2016 de subestaciones de 46/6.3 kV………………....79 Tabla 3.9: Situación actual a Diciembre de 2012 de subestaciones de 138/23 kV….….82 Tabla 3.10: Situación futura 2016 de subestaciones de 138/23 kV……………….83 Tabla 3.11: Variación porcentual de cargabilidad año 2016 incluido el Metro-Q…….....95 Tabla 3.12: Variación porcentual de cargabilidad 2016-2017 incluido el Metro-Q……..95 Tabla 4.1: Datos de demanda mínima, media y máxima coincidente……….......101 Tabla 4.2: Datos de alimentadores expresos para el Sistema Metro-Q……………….101 Tabla 4.3: Rango de variación permitido por el CONELEC……………………….102 Tabla 4.4: Distancias consideradas para las simulaciones primera alternativa……….103 Tabla 4.5: Distancias consideradas para las simulaciones segunda alternativa….......103 Tabla 4.6: Cargabilidad de transformadores de 138/46 kV en demanda máxima…….119 Tabla 4.7: Caída de voltaje producida por el ingreso del sistema Metro-Q……..........137 Tabla 4.8: Voltajes máximos y mínimos en p.u…………………………………….140 Tabla 4.9: Caída de voltaje y voltajes máximos y mínimos en p.u. en barras de 23 kV…........143 Tabla 4.10: Cargabilidad máxima y margen de reserva de transformadores 230/138 kV.......151 Tabla 4.11: Potencia requerida de los transformadores de alimentación Primera alternativa……………………………………………………………………………….154 Tabla 4.12: Potencia requerida de transformadores de alimentación Segunda alternativa……………………………………………………………………………….155 Tabla 4.13: Potencia requerida de transformadores de alimentación Tercera alternativa……………………………………………………………………………….155 Tabla 4.14: Cargabilidad máxima de líneas de 138 kV y margen de reserva………….160.

(18) xvii. Tabla 4.15: Cargabilidad en demanda media y mínima de transformadores de 138/23 kV ante la pérdida de uno de ellos………………………………………….173 Tabla 4.16: Capacidad de sobrecarga de larga duración de un transformador……….176 Tabla 4.17: Alimentadores y circuitos de 23 kV sobrecargados ante la salida de un transformador de 138/23 kV……………………...…………………………………..180 Tabla 4.18: Cargabilidad de alimentadores y circuitos de 23 kV ante la salida de un transformador de 138/23 kV para los periodos de demanda media y mínima…………181. Tabla 4.19: Cargabilidad de líneas de 138 kV y transformadores de 138/23 kV ante salida de una línea de 138 kV………………………………………………….189 Tabla 4.20: Datos técnicos de los conductores de 750MCM y 1000MCM….......202 Tabla 4.21: Alimentadores de 23 kV sobrecargados ante la salida de servicio de un Transformador de 138/23 kV……………………………………………………..202 Tabla 4.22: Circuitos de 23 kV sobrecargados ante la salida de servicio de un Transformador de 138/23 kV…………………………………………………….......204 Tabla 4.23: Calibre de conductor recomendado para alimentadores de 23 kV……….206 Tabla 4.24: Resultados relevantes en condiciones normales de operación…….208 Tabla 4.25: Resultados relevantes en condiciones de contingencia…………….208 Tabla 4.26: Distancia desde las S/E de 138/23 kV a las estaciones de tracción..........208 Tabla 5.1: Precios referenciales de predios Urbanos……………………………...225 Tabla 5.2: Porcentajes asignados para diseño, estudios, montaje, Supervisión y transporte. ……………………………………………………………………………...226 Tabla 5.3: Presupuesto referencial para la Primera alternativa. …………….......229 Tabla 5.4: Presupuesto referencial para la Segunda alternativa…………….......230 Tabla 5.5: Presupuesto referencial para la Tercera alternativa…………………..230 Tabla 5.6: Cuadro comparativo de inversiones…………………………………….231 Tabla 5.7: Cronograma de inversiones para la Primera alternativa……………...234 Tabla 5.8: Cronograma de inversiones para la Segunda alternativa…………….235 Tabla 5.9: Cronograma de inversiones para la Tercera alternativa……………...236 Tabla 5.10: Tarifa para Trolebús……………………………………………………..239 Tabla 5.11: Resumen de ventas anuales proyectadas……………………………239 Tabla 5.12: Gastos de mantenimiento anuales…………………………………….240 Tabla 5.13: Vidas útiles aprobadas por el CONELEC……………………………..241 Tabla 5.14: Valores de reposición anules…………………………………………..242.

(19) xviii. Tabla 5.15: Gastos anuales estimados……………………………………………...242 Tabla 5.16: Evaluación económica de la primera alternativa de alimentación………...244 Tabla 5.17: Evaluación económica de la segunda alternativa de alimentación……….246 Tabla 5.18: Evaluación económica de la tercera alternativa de alimentación………...248 Tabla 5.19: Resumen de índices económicos calculados………………………...249 Tabla 5.20: Resultados análisis de sensibilidad……………………………….......251.

(20) xix. ÍNDICE DE ANEXOS Anexo 2.1: Pronóstico de demanda eléctrica 2011-2023…………………………264 Anexo 2.2: Solicitud del servicio eléctrico del proyecto Metro de Quito…………266. Alimentación desde el sistema de 46 kV Primera alternativa: Resultados de flujo de potencia Anexo 4.1: Voltajes en barras de 46 kV……………………………………………..267 Anexo 4.2: Voltajes en barras de 6.3 kV…………………………………………….267 Anexo 4.3: Voltajes en barras de 23 kV…………………………………….……….268 Anexo 4.4: Voltajes en barras de 1.5 kV…………………………………………….268 Anexo 4.5: Cargabilidad de Transformadores 138/46 kV…………………………269 Anexo 4.6: Cargabilidad de Transformadores 46/6.3 kV…………….……………269 Anexo 4.7: Cargabilidad de Transformadores 23/1.5 kV………….………………270 Anexo 4.8: Cargabilidad de Líneas de 46 kV……………………………………….271 Anexo 4.9: Cargabilidad de alimentadores de 23 kV…...…………………………272. Segunda alternativa: Resultados de flujo de potencia Anexo 4.10: Voltajes en barras de 46 kV………..………………………………….272 Anexo 4.11: Voltajes en barras de 6.3 kV……………..……………………………273 Anexo 4.12: Voltajes en barras de 23 kV……………..…………………….………273 Anexo 4.13: Voltajes en barras de 1.5 kV…………………………………………..274 Anexo 4.14: Cargabilidad de Transformadores 138/46 kV………………………..274 Anexo 4.15: Cargabilidad de Transformadores 46/6.3 kV…………….…………..275 Anexo 4.16: Cargabilidad de Transformadores 23/1.5 kV.……….……………….276 Anexo 4.17: Cargabilidad de Líneas de 46 kV……………………………………..277 Anexo 4.18: Cargabilidad de alimentadores de 23 kV....………………………….278. Alimentación desde el sistema de 138 kV Primera alternativa: Resultados de flujo de potencia Anexo 4.19: Voltajes en barras de 138 kV………………………………………….278 Anexo 4.20: Voltajes en barras de 23 kV……………………………………….......279.

(21) xx. Anexo 4.21: Voltajes en barras de 1.5 kV…………………………………………..280 Anexo 4.22: Cargabilidad de Transformadores 230/138 kV………………….......281 Anexo 4.23: Cargabilidad de Transformadores 138/23 kV…………….………….281 Anexo 4.24: Cargabilidad de Transformadores 23/1.5 kV………….……………..282 Anexo 4.25: Cargabilidad de Líneas de 138 kV……………………………………283 Anexo 4.26: Cargabilidad de alimentadores de 23 kV…...…………….………….283. Análisis de contingencias Salida de un transformador de 138/23 kV Anexo 4.27: Voltajes en barras de 23 kV……………………………………….......284 Anexo 4.28: Cargabilidad de elementos…………………………………………….286. Salida de una línea de 138 kV y de un circuito alimentador de 23 kV Anexo 4.29: Cargabilidad de elementos…………………………………………….288 Anexo 4.30: Cargabilidad del circuito alimentador de 23 kV……………………...290. Segunda alternativa: Resultados de flujo de potencia Anexo 4.31: Voltajes en barras de 138 kV………………………………………….291 Anexo 4.32: Voltajes en barras de 23 kV……………………………………….......291 Anexo 4.33: Voltajes en barras de 1.5 kV…………………………………………..292 Anexo 4.34: Cargabilidad de Transformadores 230/138 kV………………….......293 Anexo 4.35: Cargabilidad de Transformadores 138/23 kV…………….………….293 Anexo 4.36: Cargabilidad de Transformadores 23/1.5 kV………….……………..294 Anexo 4.37: Cargabilidad de Líneas de 138 kV……………………………………295 Anexo 4.38: Cargabilidad de alimentadores de 23 kV…...…………….………….295. Análisis de contingencias Salida de un transformador de 138/23 kV. Anexo 4.39: Voltajes en barras de 23 kV……………………………………….......296 Anexo 4.40: Cargabilidad de elementos…………………………………………….298.

(22) xxi. Salida de una línea de 138 kV y de un circuito alimentador de 23 kV Anexo 4.41: Cargabilidad de elementos…………………………………………….300 Anexo 4.42: Cargabilidad del circuito alimentador de 23 kV……………………...302. Tercera alternativa: Resultados de flujo de potencia Anexo 4.43: Voltajes en barras de 138 kV………………………………………….303 Anexo 4.44: Voltajes en barras de 23 kV……………………………………….......304 Anexo 4.45: Voltajes en barras de 1.5 kV…………………………………………..305 Anexo 4.46: Cargabilidad de Transformadores 230/138 kV………………….......306 Anexo 4.47: Cargabilidad de Transformadores 138/23 kV…………….………….306 Anexo 4.48: Cargabilidad de Transformadores 23/1.5 kV……….….…………….307 Anexo 4.49: Cargabilidad de Líneas de 138 kV……………………………………308 Anexo 4.50: Cargabilidad de alimentadores de 23 kV…...…………….………….308. Análisis de contingencias Salida de un transformador de 138/23 kV Anexo 4.51: Voltajes en barras de 23 kV……………………………………….......309 Anexo 4.52: Cargabilidad de elementos…………………………………………….312. Salida de una línea de 138 kV y de un circuito alimentador de 23 kV Anexo 4.53: Cargabilidad de elementos…………………………………………….313 Anexo 4.54: Cargabilidad del circuito alimentador de 23 kV……………………...315. Anexo 5.1: Análisis de costos de la Primera alternativa…………………………..316 Anexo 5.2: Análisis de costos de la Segunda alternativa………..………………..318 Anexo 5.3: Análisis de costos de la Tercera alternativa…………………………..326 Anexo 5.4: Programa de actividades Primera alternativa…………………….......331 Anexo 5.5: Programa de actividades Segunda alternativa……………..…….......332 Anexo 5.6: Programa de actividades Tercera alternativa…………………..……..333.

(23) xxii. RESUMEN La propuesta del presente proyecto de titulación profesional fue establecer, la mejor alternativa de alimentación técnica para el Metro de Quito, basado en flujos de potencia calculados con la utilización de un programa computacional adecuado.. Para el presente estudio se plantearon cinco posibles alternativas de alimentación, dos alternativas a partir del sistema de 46 kV las cuales fueron propuestas por los autores y tres alternativas a partir del sistema de 138 kV de las cuales fueron dos propuestas por la dirección de subtransmisión y el departamento de planificación de la Empresa Eléctrica Quito, mientras que una de ellas fue propuesta por los autores del presente proyecto.. Además se realizó un estudio económico de las tres alternativas de alimentación propuestas a partir del sistema de 138 kV, con el objetivo de determinar cuál de las tres alternativas sería económicamente factible y rentable para la empresa.. Como resultados del estudio de cargabilidad se estableció que el Metro de Quito, con los 75 MVA de demanda requeridos por la Empresa Metro Madrid, tal como lo manifiesta el oficio UNMQ-2012-125 del 16 de Marzo del 2012. Incrementaría en un 10% la demanda proyectada del Sistema Eléctrico Quito, en consecuencia el sistema de 46 kV no podría sostener a largo plazo dicha demanda debido a que en el corto plazo este llegaría a saturarse. Mientras que el sistema de 138 kV mantendría el abastecimiento de esta demanda en un largo plazo.. Con el estudio eléctrico realizado con ayuda del programa computacional Power Factory versión 14.1.3, se llegó a comprobar con dos alternativas diferentes que la alimentación del Metro de Quito desde el sistema de 46 kV, mediante transformadores de 46/23 kV; provocaría bajos voltajes en las barras de 46 kV de subestaciones vecinas los cuales estarían fuera del rango de variación permitido por el CONELEC, además de altas cargabilidades en algunas líneas de 46 kV..

(24) xxiii. Por otra parte el mismo estudio eléctrico realizado con tres alternativas diferentes, demostró que la alimentación del Metro de Quito es técnicamente factible desde el sistema de 138 kV mediante transformadores de 138/23 kV, ya que mantendría voltajes en barras dentro del rango de variación permitido por el CONELEC, además de cargabilidades en transformadores, líneas y alimentadores, con niveles adecuados de operación. De las tres alternativas planteadas se llegó a determinar que la alimentación desde la subestaciones de 138/23 kV Mirador Alto, Chilibulo, Vicentina y Parque Bicentenario es la alternativa técnica más adecuada; debido a que esta alternativa presento el mejor perfil de voltaje y bajas cargabilidades en líneas, transformadores y alimentadores, tanto en condiciones normales como en condiciones de contingencia.. Finalmente como resultado del estudio económico se llegó a determinar que las tres alternativas de alimentación planteadas para el Metro de Quito desde el sistema de 138 kV son económicamente factibles, siempre y cuando el factor de carga llegué a ser superior a 0.5; sin embargo la alimentación desde la subestaciones de 138/23 kV Eugenio Espejo, Chilibulo, Vicentina y Parque Bicentenario es la más rentable de las tres alternativas planteadas..

(25) xxiv. PRESENTACIÓN. El presente proyecto de titulación profesional se ha divido en seis capítulos, donde se desarrollan los siguientes temas:. En el capítulo I: Contiene la descripción del proyecto Metro de Quito, el funcionamiento de este medio transporte eléctrico y la propuesta del presente proyecto de titulación.. En el capítulo II: Se presenta la teoría correspondiente para elaborar pronósticos de demanda, la metodología que emplea la Empresa Eléctrica Quito y un análisis del pronóstico de demanda eléctrica que ha sido verificado en este proyecto para las subestaciones consideradas en la alternativa de alimentación propuesta por el Departamento de Planificación de la Empresa Eléctrica Quito, así como para la proyección del Sistema Eléctrico Quito.. En el capítulo III: Se realiza un estudio de cargabilidad para los sistemas de 46 kV y 138 kV, considerando el pronóstico de demanda realizado en el capítulo II.. En el capítulo IV: Se realiza el estudio eléctrico para los periodos de demanda máxima, media y mínima de las alternativas de alimentación propuestas para el Metro de Quito, desde el sistema de 46 kV así como para las propuestas desde el sistema de 138 kV. Adicionalmente en estas alternativas se realiza el análisis de contingencia de cada una de ellas.. En el capítulo V: Se presenta el estudio económico-financiero de las tres alternativas de alimentación desde el sistema de 138 kV planteadas para el Metro de Quito.. En el capítulo VI: Se presenta las conclusiones y recomendaciones obtenidas del estudio. realizado. en. el. presente. proyecto. de. titulación. profesional..