N° tesis:
PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELÉCTRICO
por
Javier Arturo Rico Aristizábal
DISEÑO DE RED INTERNA PARA CONEXIÓN DE CARGADORES FLASH EN
PORTAL EL DORADO
Sustentado el día 4 de diciembre de 2014 frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Mario Alberto Rios Mesias, Profesor Titular, Universidad de Los Andes
Diseño de Red Interna Para Conexión de
Cargadores Flash en Portal El Dorado
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Contenido
RESUMEN EJECUTIVO ... iv
Objetivos Proyecto de Grado ... iv
Objetivo General... iv
Objetivos Específicos ... iv
Cargadores eléctricos TOSA ... iv
Sustento energético del proyecto ... v
Diseño ... vi
Presupuesto ... ix
Discusión y Conclusiones ... ix
1 INTRODUCCIÓN ... 1
1.1 Definición del proyecto ... 1
1.2 Especificaciones del proyecto de diseño... 2
2 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO .... 3
3 RECRAGA DE BUSES e-BRT ... 4
3.1 Carga Flash ... 5
3.2 Carga Terminal ... 6
3.3 Rectificador Trifásico de 12 pulsos ... 7
4 ETAPA DE DISEÑO ... 8
4.1 Definición Cargadores Flash y Terminal requeridos ... 8
4.2 Requerimientos Eléctricos ... 11
4.3 Conexión a la red de Distribución ... 12
4.4 Dimensionamiento Inicial del cableado ... 14
4.4.1 Cableado interno a la estación en Baja Tensión ... 14
4.4.2 Cableado externo a la estación en Media Tensión ... 16
4.5 Diagrama Unifilar General del diseño ... 16
4.6 Normatividad Eléctrica ... 17
4.7 Dimensionamiento definitivo de Cables y especificación de los elementos de Carga 18 4.7.1 Escenario Inicial ... 18
4.7.2 Escenario Definitivo ... 19
4.8 Unidades eléctricas Constructivas definitivas del Diseño ... 22
4.9 Análisis de Armónicos en la Red ... 23
4.10 Especificaciones físicas de Acometidas Eléctricas ... 23
4.10.1 Corte Acometida Costado Norte ... 24
4.10.2 Corte Acometida Costado Sur ... 25
4.10.3 Corte Acometida Red de Media Tensión ... 25
4.10.4 Corte Acometidas DC ... 26
4.10.5 Cajas de Inspección ... 26
4.11 Distribución de Acometidas Eléctricas y localización de Cajas de Inspección . 27 4.12 Definición de Espacios para Equipos de Carga ... 28
5 PRESUPUESTO DEL PROYECTO ... 33
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7 RECOMENDACIONES ÚLTIMAS PARA LA ESCABILIDAD DEL DISEÑO ... 34
8 AGRADECIMIENTOS ... 34
9 REFERENCIAS ... 34
10 ANEXOS ... 37
10.1 Planos Oficiales del IDU ... 37
10.2 Simulaciones de Flujo de Carga en ETAP ... 40
10.3 Especificaciones de Cableado ... 51
10.4 Especificaciones de los Equipos – Catálogo ... 53
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RESUMEN EJECUTIVO
Objetivos Proyecto de Grado
Objetivo General
Realizar el diseño eléctrico de la red interna en baja tensión para la implementación de cargadores tipo pantógrafo con cargas flash y terminal en la Estación de Transmilenio Portal El Dorado.
Objetivos Específicos
Determinar la cantidad y la disposición de los cargadores tipo ‘Flash’ y ‘Terminal’ en la
estación Portal El Dorado con base a los requerimientos de transporte de la estación.
Hacer el diseño de la disposición de equipos de subestación requeridos para la
implementación de los cargadores en Portal El Dorado.
Realizar el diseño de la disposición de equipos de electrónica de Potencia para la carga de
BRT's en la estación Portal El Dorado del sistema Transmilenio.
Hacer el dimensionamiento en capacidad eléctrica bajo condiciones de funcionamiento
normal y en contingencias para la implementación de los cargadores en Portal El Dorado.
Realizar el diseño de la acometida eléctrica en Baja Tensión para la carga de los BRT's.
Garantizar el cumplimiento de la normatividad pertinente de los diseños de ingeniería para
la implementación de los cargadores en Portal El Dorado.
Realizar un estudio de costos preliminar para la implementación completa de cargadores
Flash y Terminal en la estación Portal El Dorado.
Cargadores eléctricos TOSA
En el proceso de diseño eléctrico para la implementación de cargadores Flash y Terminal del sistema de transporte masivo TOSA en la estación Portal El Dorado, se ha tenido en cuenta: la importancia de la estación como punto de despacho de todas las rutas que transitan por la troncal de la Calle 26; los escenarios de carga y descarga de pasajeros en horas pico con base a información recolectada en el portal; los planos arquitectónicos y eléctricos en las zonas aledañas a la estación provistos por el Grupo de Documentación del Instituto de Desarrollo Urbano – IDU; y los equipos de electrónica de potencia fabricados por ABB – Sécheron.
La duración de la carga es determinante al momento de definir la localización de cada uno de los dos tipos de carga. La carga Flash es efectuada en 15 segundos, mientras que la carga Terminal tiene una duración entre 3 y 4 minutos. La carga Flash requiere de un dispositivo de almacenamiento de energía que posteriormente se descarga para realizar la carga del vehículo.
Tabla 1. Especificaciones Eléctricas de la Carga Flash y la Carga Terminal.
CARGA
Tipo de Carga Potencia
(kVA) Tensión (V)
Duración de
Carga Tipo Estructura
Potencia (kW)
Tensión (VDC)
Duración de Carga
Carga Flash 50 400 2'30'' Pantógrafo 400 500 15''
Carga Terminal 200 400 3 - 4' Pantógrafo 200 500 3 - 4'
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En la Tabla 1 se tienen las especificaciones en el lado AC y en el lado DC de cada una de los dos tipos de carga a utilizar. Cabe resaltar que la mayor demanda de Potencia se concentra en la carga Terminal, siendo esta 4 veces mayor a la potencia demandada por la carga Flash [1].
La carga Flash y la carga terminal cuentan con una electrónica de Potencia similar; la diferencia entre las dos radica en el requerimiento de potencia que hace cada una de las cargas a la red, y al almacenamiento de energía que se efectúa por medio de un supercapacitor en la carga Flash. Este proceso es descrito en la Figura 1 [1].
(a) (b)
Figura 1. Diagrama eléctrico de (a) la carga flash y (b) la carga Terminal.
El rectificador utilizado para los dos tipos de carga, es un rectificador de 12 pulsos, siendo sus armónicos principales el 5°, 7°, 11°, 13°, 17°, 19°, 23°, y 25° [6],[4]. Estos datos son
tenidos en cuento al momento de prever el modelamiento eléctrico del sistema final.
Sustento energético del proyecto
De acuerdo al balance energético del 2012 de la UPME, el sector transporte en Colombia, consumidor del 80,8% del ‘diesel oil’ comercializado en el país, cuenta con una eficiencia energética de un 18% [12]. Una asertiva en este campo es apostar por sistemas con
menores emisiones de gases efecto invernadero y con mejores eficiencias.
El análisis de consumo energético del sistema Transmilenio vs. el sistema TOSA se presenta en la Tabla 4 [2],[13],[14],[15]. Se toma como costo base para el combustible de
Transmilenio, el dado por la UPME para el mes de Julio de 2014 en Bogotá [14], y como costo
del kWh el dado por Codensa para usuarios oficiales e industriales sin contribución conectados a un nivel de Media Tensión en el mes de Julio de 2014 [15].
Tabla 2. Comparativa de Consumo Energético Transmilenio vs. TOSA
Lo que se identifica es que TOSA, a pesar de contar con alimentación eléctrica, consume 3,6 veces menos de energía por kilómetro recorrido en comparación con un bus articulado tradicional de Transmilenio, que funciona a Diesel. Es bien sabido también que a nivel térmico, la electricidad es energéticamente más costosa que el Diesel; pero sus usos pueden llegar a dar una mayor eficiencia. En este caso, el recorrido de un kilómetro de un BRT de
Diesel Transmilenio kWh TOSA
Autonomía 5,5 km / galón 2 kWh/km
Costo COP 8.370,00 / galón COP 311,00 / kWh
Costo por km COP 1.521,82 COP 622,00
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TOSA cuesta 2,4 veces menos que el recorrido de un kilómetro de un BRT de Transmilenio; siendo estas las razones que sustentan social, ambiental, económica y técnicamente el diseño presentado en este documento.
Diseño
La estación cuenta con 6 plataformas, donde cada plataforma es conformada por dos puntos de parada. En el primer punto de parada, el vehículo hace descarga de pasajeros, mientras que en el segundo punto de parada se efectúa la carga de pasajeros. El mayor período de tiempo transcurre durante la carga de pasajeros, razón por la cual se dispone de un cargador Flash por plataforma en el punto de carga de Pasajeros como se observa en la Figura 2.
Figura 2. Disposición de Cargadores en la estación Portal El Dorado.
La carga terminal se define en los sitios de parada en los que los buses son parqueados por más de 2 minutos, de acuerdo a lo observado en la estación. Al costado norte de la estación se definen dos cargadores terminales, mientras que al costado sur, se define un solo cargador terminal. Esta información se puede apreciar en la Figura 2.
El proceso de diseño comienza con el análisis de la información de las redes eléctricas de la zona provista por el grupo de documentación del IDU. En esta información se identifican dos ramales de distribución diferentes, de los cuales se hace la conexión a la red, a un nivel de 11,4 kV. Cada uno de estos ramales está localizado a un extremo de la Calle 26. Para prever las contingencias en el sistema, se decide diseñar dos subestaciones Media a Baja tensión, cada una alimentada por los ramales ya mencionados a fin de mantener el sistema conectado a uno de estos de forma continua; y que el otro ramal sólo entre a operar con escenarios frente a contingencias.
Con el fin de hacer un dimensionamiento inicial del cableado, se realiza una distribución de carga desde cada una de las dos subestaciones. Se parte del hecho, de que ambas subestaciones deben estar conectadas entre sí con sus respectivos interruptores.
Para realizar las especificaciones en corriente de cada una de las cargas, se asume que los cargadores Flash funcionan a carga continua, lo que significa que mantienen operaciones constantes por más de tres horas, y se requiere de un dimensionamiento de cableado al 125% de la corriente del consumo nominal. Los cargadores Terminales, se asumen como cargas que trabajan con espaciamientos de tiempo.
En la Tabla 3 se encuentran las especificaciones de corrientes por cada uno de los cargadores. En ellas se observa que el mayor consumo de Potencia está dado por la carga Terminal. Tras sopesar varios puntos detallados en el informe, se determina el requerimiento en cada una de las subestaciones planteadas de un Transformador 11,4 kV :
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400 V con una capacidad nominal de 750 kVA con alcances de sobrecarga conforme a la normatividad IEEE C57.91.
Tabla 3. Especificaciones por consumo de corriente de cada Cargador.
El diagrama unifilar del sistema es el presentado en la Figura 3. Este consta de tres acometidas principales: dos al costado norte y una al costado sur.
Para hacer la simulación del modelo planteado se hace uso de la herramienta computacional ETAP. En ella se realizan varios escenarios de flujo de carga en estado estable y se analiza la inserción de distorsión armónica en la red.
Figura 3. Diagrama Unifilar del sistema de Carga en el Portal El Dorado.
Tras los flujos de carga finales, se decide el diseño de dos refuerzos a la salida de cada transformador, y así evitar eventualidades de sobrecarga. En estas simulaciones se tienen en cuenta las especificaciones físicas de los conductores, el aislamiento, la ampacidad y su temperatura de operación. Las especificaciones del cableado se encuentran en el informe y detalladas en los anexos del documento.
El análisis de armónicos muestra niveles de distorsión armónica que alrededor del 9% en los nodos internos del sistema. En el lado de baja de la red, en el costado de la subestación, la distorsión armónica llega a niveles del 5%: Admisibles para la normatividad de Codensa. Con el fin de mantener el nivel de distorsión armónica en el admisible especificado por Codensa, se diseña la implementación de un filtro armónico con aislamiento galvánico en los cargadores Terminales, que son los que mayor potencia consumen. Este filtro es dado por la ref [5].
Con base a las consideraciones técnicas ya mencionadas, se tiene como unidades constructivas del diseño las listadas a continuación:
Cables de Media y Baja Tensión. (Anexos).
Dos Transformadores ABB de 750 kVA trifásico tipo pedestal para implementar como
Transformador Oriental y Transformador Occidental. (Catálogo en Anexos).
Tipo de Carga Cantidad de
Cargadores Tensión (V)
Factor de Potencia
Potencia (kVA)
Corriente de
Entrada - ILL (A)
Corriente de
Entrada - I1φ(A)
Corriente a Carga
continua - I1φ(A)
Conductor de Entrada a cargador- 1φ
Carga Flash 6 400 ~ 1,0 50 125 72,2 90,2 4 AWG
Carga Terminal 3 400 ~ 1,0 200 500 288,7 - 250 kcmil
Total Flash 300 750 433,0 541,3
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o Este transformador cuenta con el estándar ANSI/IEEE C 57.91 el cual permite
sobrecargas de un 300% por un período inferior a media hora a una temperatura de 110°C [23].
Nueve rectificadores 400 VAC : 500 VDC con capacidad de 6000 A [24]. (Catálogo en Anexos).
Nueve Switchgear DC para maniobrar los cargadores [25]. (Catálogo en Anexos).
Nueve Switchgear AC para maniobra en el lado de baja tensión [26]. (Catálogo en Anexos).
Seis dispositivos de almacenamiento de energía supercapacitores de 4 kWh [27]. (Catálogo
en Anexos).
Tres compensadores de filtro armónico con aislamiento galvánico para los cargadores
Terminales [5]. (Catálogo en los Anexos).
Sistema de puesta a tierra con base a la normatividad LAR400 de Likinormas de Codensa.
Disposición de equipos de Electrónica de Potencia
En total se va a contar con tres acometidas principales para el cableado AC, y nueve acometidas para el cableado DC. Estas son especificadas en el informe en el numeral de ‘Distribución de Acometidas eléctricas y localización de cajas de inspección’.
Para la disposición de los equipos de electrónica de potencia, se hace uso de las dimensione detallas en el catálogo de equipos dado en los anexos. Se va a contar con dos tipos de estructuras: una para los equipos de electrónica de potencia de los cargadores Flash, y otra para los equipos de los cargadores Terminales. Cada cargador va a contar con una estructura que se sitúa en la parte central de la estación sobre una nueva estructura que debe situarse sobre el paso de la cicloruta como se muestra en la Figura 4, lográndose así no interrumpir en los actuales espacios de circulación de la estación.
Figura 4. Disposición de Equipos de electrónica de Potencia.
Los equipos requeridos para los cargadores Flash son: Rectificador, Supercapacitor, Equipos de maniobra AC y Equipos de Maniobra DC. Para la carga terminal se requiere: Rectificador, Filtro Armónico con aislamiento galvánico, Equipos de maniobra AC y Equipos de Maniobra DC.
Los equipos requeridos para la operación de los cargadores cuentan con una geometría esbozada en el prototipo inicial de TOSA [1]. A parte de esta información se ha tenido en
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compensador de filtro armónico de la empresa Polylux [5]. El detalle de los espacios de estos
equipos se muestra en el informe.
El polo de transferencia tipo pantógrafo, para la realización de la carga, es de igual forma, detallado espacialmente en el informe; al igual que la perspectiva 3D de la localización detallada d equipos.
Presupuesto
En el presupuesto se contempló la implementación de las acometidas eléctricas con la demolición de la actual infraestructura y el relleno conforme a la normatividad de Codensa, la rehabilitación vial de la troncal y de los pisos al interior de la estación. De igual forma se tuvieron en cuenta los equipos de subestación, Transformador, equipos de maniobra AC en los puntos de carga, y los costos de cableado AC y DC.
En el presupuesto hace falta tener en cuenta los costos de los equipos de electrónica de potencia y maniobra DC que deben ser provistos por Sécheron. El costo estimado de la obra con las consideraciones expuestas es de mil ochocientos setenta millones de pesos Colombianos.
Discusión y Conclusiones
El diseño realizado cuenta con detalles eléctricos que facilitarían en gran medida la implementación real del proyecto. Hace falta a modo de detalle, la coordinación de protecciones y los costos ya en físico en la estación Portal El Dorado.
El diseño plateado contempla en el caso de los cargadores Flash, un único Supercapacitor entre 2 kWh y 4 kWh para el almacenamiento de energía previo al arribo del BRT. Se sugiere, dado que cada una de las plataformas y rutas de Transmilenio, cuenta con una frecuencia de buses diferente, que se instale una única infraestructura de electrónica de Potencia, y la acometida sea realizada en tensiones DC. A modo de que se tengan varios supercapacitores con mayor capacidad, conectados en serie y estos conmuten entre sí para otorgar en cualquier plataforma la energía requerida al momento que se disponga de la llegada del BRT.
El inconveniente de la actual propuesta, es que si la carga convencional dura 2 minutos y 30 segundos por cada supercapacitor; cada estación de parada sólo podría alimentar 24 BRT’s en una hora. Esto sólo se solventaría si entre todas las estaciones de parada comparten los dispositivos de almacenamiento.
Itms UND Cant Valor Unitario Valor Total
TOTAL COSTOS DIRECTOS OBRA CIVIL - - - COP 494.581.563,52
TOTAL COSTOS DIRECTOS OBRA ELÉCTRICA - - - COP 875.573.115,80
Itms UND Cant Valor Unitario Valor Total
IVA - - 16,00% COP 219.224.748,69
ADMINISTRACIÓN - - 8,00% COP 109.612.374,35
IMPREVISTOS - - 5,00% COP 68.507.733,97
UTILIDAD - - 7,00% COP 95.910.827,55
TOTAL OBRA COP 1.863.410.363,87
USD 877.666,28 COSTOS INDIRECTOS OBRA TOTAL
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INTRODUCCIÓN
Durante los últimos años, a nivel mundial se ha empezado a incentivar el uso de energías limpias no contaminantes en los sistemas de transporte. Como respuesta a esto, el sector automotriz ha estado en permanente investigación y progresivos avances en todo lo relacionado con vehículos eléctricos, tanto para servicio particular, como para servicio público. La consideración de fuentes de energía eléctrica como sistemas no contaminantes está supeditada al tipo de generación que se tiene de esta. En el caso Colombiano, con base a los datos de la UPME, con una capacidad Hidroeléctrica instalada de 9.362 MW (64,13% de la Capacidad a nivel nacional) a febrero del 2014, se considera que la energía eléctrica consumida en su mayoría es de una fuente no contaminante (~70% de acuerdo a XM).
En la industria eléctrica se han desarrollado tecnologías para vehículos eléctricos teniéndose como base de investigación los mecanismos de almacenamiento de energía, y el tiempo de duración de carga de dichos sistemas. Estos dos pilares de desarrollo en la movilidad eléctrica han sido altamente influenciados por el tiempo de autonomía que logran los sistemas implementados, en referencia a la longitud transitada por los vehículos; y a la infraestructura de la que se dispone para la carga de los mismos.
Debido a la alta contaminación que se presenta en la ciudad de Bogotá, y al significativo aporte que hace a esta los sistemas de transporte público de la ciudad; se ha empezado a debatir sobre la necesidad de vehículos eléctricos en los sistemas de transporte actuales, así como la implementación de nuevos sistemas, también eléctricos, como parte integral a las soluciones de movilidad.
Bajo este marco, el desarrollo del presente proyecto de grado, está dirigido al diseño de la infraestructura requerida para un sistema de carga denominado ‘Flash Charging System’; el cual ha sido desarrollado exclusivamente para el servicio público; y en esencia, dirigido a los sistemas BRT, ‘Bus Rapid Transit', por sus siglas en inglés. Estos sistemas BRT son autobuses convencionales o articulados de los cuales hace parte el sistema de transporte masivo Transmilenio.
Sobre el sistema específico que se busca desarrollar, ya se tiene un prototipo funcionando, denominado TOSA ‘Trolleybus Optimisation Système Alimentation’, en la ciudad de Ginebra en Suiza; siendo este el primer bus 100% eléctrico de gran tamaño, sin ninguna línea de contacto y con autonomía propia [1],[2].
1.1 Definición del proyecto
La ciudad de Bogotá es la principal urbe de Colombia. Todos los sistemas de transporte público de la ciudad están basados en combustibles fósiles; los cuales son a nivel energético ineficientes, y a nivel ambiental, poco sostenibles. Los planeamientos realizados a la fecha, hacia la infraestructura de transporte masivo eléctrico en la ciudad, son en primera instancia: una nueva incorporación de flotas híbridas (Diesel – Electridad) en buses de Transmilenio, las cuales ya empezaron a ser implementadas; y la ejecución de la obra del sistema metro.
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Paralelo a los planeamientos de transporte abordados por la gobernación distrital, dentro del marco de movilidad eléctrica; en la Universidad de los Andes, se está desarrollando el planeamiento y diseño eléctrico para la posible implementación del sistema de transporte masivo TOSA, en la troncal más corta de toda la infraestructura que actualmente posee Transmilenio: La troncal de la calle 26.
En este proyecto de grado, se toma la estación de la Troncal de la calle 26 con mayor número afluencia de pasajeros: la estación Portal El Dorado; y se realiza el diseño eléctrico para la carga de vehículos BRT por medio de carga Flash y carga Terminal. Las consideraciones tomadas para el diseño, se basan en datos recolectados directamente en la estación en el área de transporte; por datos obtenidos por medio del Grupo de Documentación del Instituto de Desarrollo Urbano – IDU en el área de obras civiles, diseños arquitectónicos y diseños eléctricos de la estación; y por datos tomados de la compañía ABB y su filial Sécheron en el área de equipos eléctricos.
Los vehículos utilizados por Transmilenio tienen como combustible una mezcla 92% diésel y 8% etanol. Desde el inicio de operación del sistema se planteó la posibilidad de incluir BRT’s que funcionen a gas natural; pero sólo hasta abril del 2014 se hizo el anuncio oficial de la implementación de este nuevo combustible [11].
La escalabilidad del proyecto de diseño propuesto en este documento, está supeditada en esencia, a una infraestructura eléctrica más robusta, y a una adición básica de estructuras de carga a la actual infraestructura civil de Transmilenio. Las mayores consideraciones se encuentran en el pico de la demanda de pasajeros y son en su mayoría analizadas en el transcurso de este informe.
Los beneficios económicos del energético utilizado por el sistema de transporte TOSA son presentados más adelante en la Tabla 4. Se identificó que el sistema propuesto puede llegar a costar 2,4 veces menos en kilómetro transitado que el actual sistema de combustible Diesel; y que el desgaste energético es 3,6 veces menor con respecto al actual sistema en funcionamiento.
De igual forma, el contar con vehículos 100% eléctricos en el transporte público de la ciudad de Bogotá, puede llegar a representar un punto de partida en esquemas ambientalmente sostenibles; y en fortalecer desde otro punto de la demanda el sistema eléctrico Colombiano, conforme se vaya dando la expansión del sistema propuesto.
Así, como objetivo del presente proyecto de grado se realiza el diseño eléctrico de la red interna en Media y Baja tensión para la implementación de cargadores tipo pantógrafo con cargas flash y terminal en la Estación de Transmilenio Portal El Dorado.
1.2 Especificaciones del proyecto de diseño
Para lograr el objetivo planteado en el actual diseño se tienen los siguientes objetivos específicos:
Determinar la cantidad y la disposición de cargadores tipo ‘Flash’ y ‘Terminal’ en la estación Portal El Dorado con base a los requerimientos de transporte identificados.
Determinar los puntos de conexión a la actual red de Media tensión de Codensa sobre la Calle 26.
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Hacer el diseño de la disposición de equipos de subestación requeridos para la implementación de los cargadores en Portal El Dorado.
Realizar el diseño de la disposición de equipos de electrónica de Potencia para la carga de BRT's en la estación Portal El Dorado del sistema Transmilenio.
Hacer el dimensionamiento en capacidad eléctrica bajo condiciones de funcionamiento normal y en contingencias para la implementación de los cargadores en Portal El Dorado.
Realizar el diseño de la acometida eléctrica en Media y Baja Tensión para la carga de los BRT's.
Garantizar el cumplimiento de la normatividad pertinente de los diseños de ingeniería para la implementación de los cargadores en Portal El Dorado.
Realizar un estudio de costos preliminar para la implementación completa de cargadores Flash y Terminal en la estación Portal El Dorado; en donde se tiene cuenta los costos de intervención e implementación de acometidas eléctricas, cableado AC y DC, equipos de subestación, equipos de maniobra AC, tendido de rehabilitación vial, pisos interiores de la estación y todos los costos de transporte y cuadrillas para la implementación de los mismos. Debe tenerse en consideración que los costos de los equipos de electrónica de potencia, supercapacitores, maniobra DC y filtros armónicos no está tenida en cuenta dentro del presupuesto.
2
DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
En el marco que rodea el diseño ingenieril de este proyecto, se tiene como fin el proveer los principales instrumentos de decisión en cuanto a requerimientos económicos, de infraestructura eléctrica e infraestructura civil para la implementación de un sistema de trolebuses 100% eléctrico y sin necesidad de líneas de contacto aéreas para el abastecimiento energético de los vehículos en una estación tipo portal del sistema de transporte masivo Transmilenio.
El por qué de una alternativa de movilidad eléctrica ha sido ampliamente justificado en la historia. Dentro de las grandes bondades de la energía eléctrica, a parte de su versatilidad de usos, es la de poder lograr 0% en emisiones de CO2. Dado que el país actualmente cuenta
con una cuota cercana al 64% en centrales de generación hidroeléctrica vs. centrales de generación térmica, y una generación de energía neta de un 70% hidráulica; se asume que al utilizar fuentes eléctricas aumenta la eficiencia, y mejoran los indicadores de desarrollo sostenible de la ciudad.
De acuerdo al balance energético del 2012 de la UPME, el sector transporte en Colombia, consumidor del 80,8% del ‘diesel oil’ comercializado en el país, cuenta con una eficiencia energética de un 18% [12]. Una asertiva en este campo es apostar por sistemas con
menores emisiones de gases efecto invernadero y con mejores eficiencias.
El análisis de consumo energético del sistema Transmilenio vs. el sistema TOSA se presenta en la Tabla 4 [2],[13],[14],[15]. Se toma como costo base para el combustible de
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del kWh el dado por Codensa para usuarios oficiales e industriales sin contribución conectados a un nivel de Media Tensión en el mes de Julio de 2014 [15].
Tabla 4. Comparativa de Consumo Energético Transmilenio vs. TOSA
Lo que se identifica es que TOSA, a pesar de contar con alimentación eléctrica, consume 3,6 veces menos de energía por kilómetro recorrido en comparación con un bus articulado tradicional de Transmilenio, que funciona a Diesel. Es bien sabido también que a nivel térmico, la electricidad es energéticamente más costosa que el Diesel; pero sus usos pueden llegar a dar una mayor eficiencia. En este caso, el recorrido de un kilómetro de un BRT de TOSA cuesta 2,4 veces menos que el recorrido de un kilómetro de un BRT de Transmilenio. Tras haber discutido y analizado las bondades económicas del combustible utilizado en el sistema de transporte TOSA, así como la eficiencia energética que este puede llegar a proveer; nace el sustento social, ambiental, económico y técnico del diseño presentado en este documento.
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RECRAGA DE BUSES e-BRT
Las tecnologías de almacenamiento de energía por medio de baterías y ultracapacitores, para carga de buses eléctricos de transporte público analizadas en la referencia [2], sobre el estudio de Movilidad Eléctrica realizado en la Universidad de los Andes; expone que en cuanto a capacidad eléctrica, los principales sistemas ya utilizados a nivel mundial, requieren entre 100 kW y 400 kW de capacidad en potencia por prototipo, en donde se tienen duraciones de carga que van de 5 minutos a 3 horas; contándose así con una autonomía en distancia transitada que varía de 40 km a 250 km de longitud [2].
Existen dos tecnologías de carga para vehículos eléctricos de transporte público. El primer tipo de carga es mediante ‘Plug-in’, donde éste es el tipo de carga más demorado; ya que existen sistemas que tardan en cargarse 30 minutos, y otros hasta 3 horas, dependiendo de la autonomía que se requiera. El segundo tipo de carga es denominado carga por oportunidad, en donde los vehículos son cargados eléctricamente en los paraderos mientras concluyen algún trayecto y vuelven a estar en operación; contando con un tiempo estimado de carga que varía entre 5 y 10 minutos [2].
En el estudio sobre Movilidad Eléctrica ya mencionado; se propone como alternativa a los sistemas eléctricos convencionales, dentro de la tecnología de carga por oportunidad, el modelo Suizo TOSA (‘Trolleybus Optimisation Système Alimentation’), el cual hace parte de los vehículos alimentados en los paraderos con una recarga rápida (´Flash Charging’). El sistema existente, que se encontraba en demostración en Ginebra hasta el mes de Mayo
Diesel Transmilenio kWh TOSA
Autonomía 5,5 km / galón 2 kWh/km
Costo COP 8.370,00 / galón COP 311,00 / kWh
Costo por km COP 1.521,82 COP 622,00
Consumo Energético por
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del 2014, es el único prototipo de recarga rápida puramente eléctrico, contrario a los demás sistemas que utilizan recarga en paradores con alternativas híbridas [2].
TOSA es un sistema implementado en un bus articulado de 19 m de longitud, que transporta hasta 134 pasajeros. Este vehículo BRT logra una carga completa en cuanto a capacidad instalada de energía, en un tiempo de 15 segundos, requiriéndose en este período de tiempo de un suministro de 400 kW de potencia. En este bus para el almacenamiento de la energía necesaria para su funcionamiento, se cuenta con un sistema de ultracapacitores de 3 kWh, baterías Litio-Titanio de 40 kWh, y un cargador On-Board con una capacidad de 50 kW de potencia; los cuales otorgan al vehículo una autonomía de 2 kWh/km para un total teórico de 20 km en distancia recorrida [2].
La tecnología de carga Flash fue desarrollada por ABB Sécheron Ltd, compañía con sede en Ginebra – Suiza, y perteneciente a la multinacional ABB. TOSA, como proyecto de Sécheron cuenta con tres tipos de carga, cada una asociada a un período de carga diferente: Carga Flash, Carga Terminal y Carga de Estacionamiento. Las especificaciones eléctricas de cada carga son presentadas en la Tabla 5 [1].
Tabla 5. Especificaciones Eléctricas de Los Cargadores Utilizados en TOSA.
El proyecto de diseño propuesto se centra en la implementación de la carga Flash en la estación Portal El Dorado. Dado que esta estación resulta ser un portal de gran confluencia de rutas, actualmente y a futuro; se determina la implementación de sistemas de carga flash y de carga terminal.
En este proyecto de diseño se hace uso de la normatividad IEC para los análisis computacionales y el dimensionamiento del cableado. Para el diseño de acometidas eléctricas y especificaciones de equipos se utiliza la normatividad de Codensa Likinormas, la cual se sustenta en diversidad de normas y estándares: IEEE/ANSI, IEC, NTC, RETIE, entre otros. Cada una de las normas utilizadas se especifica en el procedimiento mostrado.
3.1 Carga Flash
Como se especifica en la Tabla 5, la carga Flash tiene una duración de 15 segundos. El suministro de potencia durante estos 15 segundos es de 400 kW a una tensión DC de 500V. El desarrollo de la carga se efectúa rápidamente, porque de forma previa se ha cargado un supercapacitor que hace parte de la electrónica de Potencia general del sistema. Este elemento supercapacitor es cargado a una Tensión DC gracias a un rectificador de 12 pulsos (especificado más adelante) [3],[6], el cual es alimentado directamente de la red a 400 VAC
durante dos minutos y medio: solicitando una potencia de 50 kVA. Este proceso es descrito en la Figura 5 a continuación [1].
CARGA
Tipo de Carga Potencia
(kVA) Tensión (V)
Duración de
Carga Tipo Estructura
Potencia (kW)
Tensión (VDC)
Duración de Carga
Carga Flash 50 400 2'30'' Pantógrafo 400 500 15''
Carga Terminal 200 400 3 - 4' Pantógrafo 200 500 3 - 4'
Estacionamiento 50 400 30' Plug 50 500 30'
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Figura 5. Diagrama eléctrico de la carga tipo Flash.
Con esto en mente nace la primera restricción del sistema de Transporte TOSA: Para carga Flash, la frecuencia de carga de un bus con respecto a otro en el mismo paradero debe ser menor a 1/(2,5 minutos). Lo que significa que en un caso de optimización máximo, se pueden cargar por hora en cada paradero 24 BRT’s.
3.2 Carga Terminal
La carga terminal, a diferencia de la carga Flash, no hace uso de supercapacitores. Esto es porque la carga se realiza de forma directa entre la red, un rectificador de 12 pulsos con las mismas especificaciones que para la carga Flash, y las baterías del vehículo [1],[6]. Esta
carga, tal como se especifica en la Tabla 5, dura entre tres y cuatro minutos. El requerimiento en potencia para la red es de 200 kVA, y en el lado DC de 200 kW. La tensión manejada es la misma que en la carga flash: 400 VAC en la red y 500 VDC en la carga.
Figura 6. Diagrama eléctrico de la carga tipo terminal.
En la Figura 6, se observa la carga terminal. En esta, se cuenta con un aislamiento galvánico; el cual técnicamente es provisto por un transformador 1:1 que aísla la corriente; ya que la inyección de potencia es mediante inducción electromagnética con el fin de salvaguardar averías en el lado del primario que podrían reflejarse en el secundario y posteriormente en la carga del vehículo.
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3.3 Rectificador Trifásico de 12 pulsos
La compañía desarrolladora del sistema de transporte TOSA, como ya se mencionó es Sécheron Ltd. Su mercado se centra en el diseño e implementación de movilidad eléctrica tanto férrea como de buses [3].
Figura 7. Determinación de rectificador conforme a requerimientos en Tensión y Potencia del Sistema DC [3].
En la Figura 7 se observa el rango del rectificador de potencia según los requerimientos de acuerdo a Sécheron. Tanto para carga terminal como para carga Flash; en el caso de estudio, el rectificador cuenta con una tensión menor a los 750 VDC y un requerimiento en
potencia menor a 1500 kW; situándose en el marco de movilidad eléctrica de Tranvías y Trolebuses, a partir de lo cual la compañía Sécheron determina la necesidad de un rectificador de 6 pulsos para la conversión de Tensión AC a DC.
A pesar de esto, debido a que este no es un sistema convencional de Trolebuses, sino un bus eléctrico autónomo, fuentes oficiales de Sécheron especifican un rectificador de 12 pulsos [6], cuya entrada es la de una
fuente trifásica y una configuración en la conexión número 12 del estándar IEC 60146-1-2[3].
El rectificador especificado en la IEC 60146-1-2 es el presentado en la Figura 8. La rectificación se compone de 12 diodos (12 pulsos), más dos capacitores y dos resistencias en la configuración
Figura 8. Rectificador de 12 pulsos requerido para Carga Terminal y Carga Flash IEC 60146-1-2 Conexión N° 12.
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descrita en dicha figura; los cuales actúan conforme al requerimiento de switcheo para obtener una onda DC apropiada para la carga del supercapacitor.
El mayor inconveniente con rectificadores en la red es la inserción de distorsiones armónicas en la corriente del sistema. Es por esto, que a la izquierda se muestra el contenido armónico de un rectificador de 12 pulsos, a fin de tener en cuenta al momento de realizar el modelamiento eléctrico del sistema final. Los datos son tomados de ABB
[4], y presentados en la Figura 9.
4
ETAPA DE DISEÑO
En la primera etapa del proyecto, se identificaron las necesidades de movilidad en la estación Portal El Dorado, ubicada en la intersección de la Calle 26 con la Avenida Ciudad de Cali en la ciudad de Bogotá. Posterior a esto se hace una propuesta de los cargadores requeridos a implementar, los consecuentes requerimientos eléctricos que estos cargadores determinan, la conexión al actual sistema de distribución de Codensa, el dimensionamiento de cableado, el diseño de la acometida eléctrica, los equipos de subestación necesarios, los equipos de electrónica de potencia, los elementos de maniobra y toda la disposición física de los equipos involucrados.
4.1 Definición Cargadores Flash y Terminal requeridos
Con base a los planos arquitectónicos provistos por el IDU de la estación Portal El Dorado, en esta se cuenta con 12 puntos de parada para los Buses Transmilenio. Estos 12 puntos de parada están distribuidos entre 6 plataformas: 2 puntos de parada por cada plataforma. Ya en la visita al portal, se identificó que en cada uno de las plataformas, llega el BRT al primer punto de parada de la plataforma y los pasajeros bajan del bus; posteriormente el BRT avanza al segundo punto de parada en la plataforma y se suben los pasajeros que están esperando entrar al bus para iniciar el recorrido.
A partir de esta información, se identificó que es necesario por cada plataforma, implementar un cargador Flash (15 segundos de carga), el cual debe ser dispuesto en el segundo punto de parada de cada plataforma. Esto se debe a que, como se observó en la visita al portal, el BRT evacua en el primer punto de parada lo antes posible, y su tiempo de espera para que la gente entre al bus, es más prolongado en el segundo punto de parada.
Paralelo al requerimiento de la implementación de los 6 cargadores Flash; se identifica en la visita técnica, que a los costados laterales del portal, frente a las plataformas de carga y descarga de pasajeros, suele haber entre 1 y 2 buses estacionados a la espera de una orden para proseguir con el recorrido. Este proceso suele tardar entre 3 y 6 minutos conforme a lo consultado con operadores en la estación.
Figura 9. Componentes armónicos en la corriente de un rectificador de 12 pulsos.
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Figura 10. Disposición de cargadores al costado Occidental de la Estación Portal El Dorado.
Como hay buses estacionados en el portal por un período de tiempo mayor al que se requiere para la carga Flash; dado que el sistema TOSA tiene dos tipos más de carga en el bus; se incluye también la implementación de carga Terminal (3 a 4 minutos de carga) en la estación Portal El Dorado.
La espera de los buses que se parquean a los costados se hace en posiciones tales que no interrumpan el flujo vial del resto de vehículos. En esto se identificó, que sólo hay tres zonas en donde parquean a los BRT’s por un período corto de tiempo; razón por la cual se requiere de la implementación de sólo 3 estructuras para carga Terminal.
Debido a la extensión del plano arquitectónico de la estación; se presentan por separado la disposición de los cargados para el costado occidental en la Figura 10, y para el costado oriental en la Figura 11. En ambas figuras se pueden identificar los 3 cargadores terminales que se van a diseñar, y los 6 cargadores flash. Cabe resaltar que hacia el costado norte de la estación, el flujo de vehículos va de Oriente a Occidente, mientras que hacia el costado sur, los BRT’s se regresan y el flujo de vehículos va de Occidente a Oriente.
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Figura 11. Disposición de cargadores al costado Oriental de la Estación Portal El Dorado.
El ingreso de los buses a la estación es por el costado norte; en ese costado se requieren dos cargadores tipo terminal, y sólo un cargador en el costado sur de la estación. En la Figura 12 (b) se puede observar la disposición de parqueo de los buses en los costados.
(a) (b)
Figura 12. (a) Bus cargando pasajeros en plataforma costado sur. (b) Bus en espera de 4 minutos y medio en el costado Norte.
Los dos cargadores terminal en el costado norte son más provechosos porque el vehículo tras hacer una carga terminal puede recoger pasajeros tanto en las plataformas del costado norte, como en las plataformas del costado sur. Por el contrario el bus que
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realiza carga terminal en el costado sur, solo puede parar posteriormente en las plataformas del costado sur.
Para la ubicación espacial de los cargadores, tal como se observa en la Figura 12, se prevé que en los separadores entre la calzada para buses Transmilenio y la calzada para los vehículos de tráfico mixto, se diseñe el punto de carga terminal.
4.2 Requerimientos Eléctricos
Para la implementación de los 3 cargadores terminales, y los 6 cargadores Flash; se tiene en cuenta el escenario en el cual el funcionamiento de todos los cargadores se da al mismo tiempo. En este escenario se requiere de un suministro en potencia de 900 kVA. El 66,7% de esta potencia es requerida por los cargadores terminales, mientras que el 33,3% es requerida por todos los 6 cargadores Flash.
Tabla 6. Requerimientos eléctricos del sistema para funcionamiento continuo.
El escenario en el que todos los cargadores funcionan al tiempo sólo se da durante transcursos de tiempo muy limitados durante el día, de acuerdo a la información recolectada. La troncal de la calle 26, y la troncal de la carrera décima; son actualmente, las dos troncales que menor número de pasajeros movilizan de todo el sistema Transmilenio. Paralelo a lo ya mencionado, con la información recolectada durante horas pico, en días entre semana; se encuentra total aleatoriedad en las horas de llegada y las frecuencias de los buses. Hay rutas que pueden tener una frecuencia de despacho de 3 buses en 2 minutos; mientras que puede haber intervalos de tiempo de 15 minutos en los que no hay un solo despacho de esa misma ruta.
Consultando de igual forma con integrantes del grupo de Transporte (Grupo de Estudios de Sostenibilidad Urbana y Regional – SUR) de la Universidad de los Andes; conforme a planeamientos de futuras rutas solicitados a Transmilenio; la respuesta de la entidad es que no cuenta con información de futuras rutas o expansión de servicios, por lo que las fuentes de información oficiales no son de gran ayuda para el dimensionamiento de la infraestructura eléctrica del diseño que se pretende presentar en este informe.
En la Tabla 6 se presentan los requerimientos de corrientes línea-línea y monofásica de consumo de cada tipo de cargador; los requerimientos en potencia, asumiendo conforme a lo especificado por TOSA y presentado en la Tabla 5, que los factores de potencia para carga Terminal y para carga Flash tienden a 1.0; y la corriente bajo carga continúa, la cual consiste en asumir un 125% de la corriente nominal en cargas cuyo funcionamiento sea mayor a tres horas continuas, con el fin de hacer un sobredimensionamiento de los cables, generado por esfuerzos térmicos tras largas horas de flujo de potencia por los cables.
Tipo de Carga Cantidad de Cargadores
Tensión (V)
Duración de Carga
Potencia (kVA)
Corriente de Entrada - ILL (A)
Corriente de Entrada - I1φ(A)
Corriente a Carga continua - I1φ(A)
Suministro de Energía al BRT (kWh)
Carga Flash 6 400 2'30'' 50 125 72,2 90,2 2
Carga Terminal 3 400 3' ~ 4' 200 500 288,7 360,8 10 ~ 13,3 Total FlashTotal 300 750 433,0 541,3
Terminal 600 1500 866,0 1082,5
Totales 900 2250 1299,0 1623,8 Requerimientos en lado AC por tipo de carga
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De forma consecuente con el funcionamiento actual de Transmilenio; teniendo en cuenta la limitante de que la carga Flash debe contar con espaciamientos de 2 minutos y medio para la carga del supercapacitor, es necesario en primera instancia asumir una carga continúa en todos los cargadores Flash, como si estos se estuvieran cargando constantemente. En cuanto a la carga Terminal, a partir de lo observado, sólo un único bus se parquea por más de dos minutos en algunos de los costados de la estación; por lo que no se requiere asumir carga continua en los cargadores tipo Terminal.
El sistema TOSA implementado por ABB para el programa piloto en Ginebra, tiene en consideración la carga Terminal en la parada final (Aeropuerto) para que el bus retorne a hacer el recorrido. Debido a esto, es necesario asumir un incremento en la cantidad de buses que requieren parquearse a los costados de la estación Portal El Dorado para efectuar la carga eléctrica.
Para prever toda la posible demanda del sistema en cargas Flash y Terminal; en el dimensionamiento del transformador de 11,4 kV : 400 V; se especifica un transformador tipo pedestal de 750 kVA con una capacidad de sobrecarga determinada por la normatividad IEEE C57.91, la cual permite sobrecargas de hasta un 300% por períodos de tiempo inferiores a 30 minutos.
Las especificaciones del transformador permiten atender el modelamiento de la carga continua para los cargadores Flash. En el escenario base en el que se están cargando los 6 supercapacitores y se están realizando en simultáneo 2 cargas Terminales, el transformador especificado funciona en condiciones nominales. En el momento en que se realice al mismo tiempo, una carga Terminal de más; y los 3 cargadores Terminales, más los 6 cargadores Flash estén funcionando al tiempo, se estaría requiriendo el 120% de la capacidad del Transformador.
4.3 Conexión a la red de Distribución
Con base al paquete de datos consultado en el Grupo de Documentación del IDU; para el proyecto de Diseño actual, se cuenta con la información de la infraestructura eléctrica a los alrededores de la estación Portal El Dorado. En esta se identifican las subestaciones aledañas, así como las acometidas de baja y media tensión alrededor de la estación. La información es propiedad del IDU, pero hace parte de las entregas que realiza Codensa a este instituto al momento de intervención de una obra.
Lo más importante a resaltar de esta información, es que a ambos costados de la calle 26 se encuentra un ramal de distribución a un nivel de media tensión de 11,4 kV como se especifica en las figuras a continuación. Para tener en cuenta las contingencias del sistema; se decide tomar de cada lado (Costado sur y costado Norte de la calle 26), la alimentación de un transformador MT:BT. De esta forma se tendrían dos transformadores, cada uno alimentado de un ramal diferente en el sistema de distribución: Dado que alguno falle, el otro actúa en contingencia del otro. Es conveniente sólo energizar un costado con su respectivo transformador; y si hay alguna contingencia, que entre en operación el otro costado, puesto que las pérdidas en un transformador a full capacidad son menores.
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Figura 13. Costado Noroccidental de la estación Portal El Dorado con los diagramas eléctricos dentro de los planos Urbanísticos. (Codensa – Grupo de Documentación IDU).
En los anexos de la presente entrega, en la Figura 34 se presentan los planos originales dados por Codensa al IDU. En esta Figura 34 se presentan las convenciones del plano para identificar las acometidas en baja tensión, media tensión y del anillo de subtransmisión; así como las subestaciones presentes y las cajas de inspección de toda la zona. Conforme a esto, en la zona señalada con amarillo en la Figura 13 se encuentra la acometida en media tensión al costado norte de la calle 26. La caja de inspección desde la cual se haría la acometida para la implementación de los cargadores en el portal, es la No. 239 registrada en el costado superior de la Figura 13.
En la Figura 14, se encuentra la segunda opción seleccionada para la conexión a la red de media tensión. En esta figura, el área señalada de amarillo al costado sur de la calle 26 tiene la acometida en media tensión; para adherirse a esta, se toma la caja de inspección No. 155, y se hace una acometida en media tensión a la zona central también señalada de amarillo, en donde se hace el diseño de subestación MT:BT al lado del puente peatonal en la zona verde.
En la Figura 15, se muestran las condiciones actuales del portal, tanto al costado oriental como al costado occidental. Las plataformas mostradas son los puntos de acceso peatonal a la estación. En los puntos en donde terminan estas plataformas se encuentra el separador central con gran espacio. En las zonas verdes de este separador se realiza el diseño para la implementación de los transformadores necesarios y así tomar directamente la red de media tensión y pasar a baja tensión.
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Figura 14. Costado Suroriental de la estación Portal El Dorado con los diagramas eléctricos dentro de los planos Urbanísticos. (Codensa – Grupo de Documentación IDU).
(a) (b)
Figura 15. Zonas centrales del Portal El Dorado para la implementación de los transformadores de BT:BT.(a) Costado Oriental y (b) Costado Occidental.
4.4 Dimensionamiento Inicial del cableado
4.4.1 Cableado interno a la estación en Baja Tensión
Para el dimensionamiento del cableado en la red de baja tensión, en la acometida interna dentro de la estación Portal El Dorado; inicialmente se hace uso de la tabla de
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15
conductores del fabricante comercial Centelsa. El catálogo utilizado es para cableado subterráneo de baja tensión (Capacidad Nominal de 600 V) [10].
En cuanto a las especificaciones del cableado, se asumen, como ya se expuso previamente en este informe; una carga continua (125% de la corriente nominal de la carga) a los 6 cargadores Flash del sistema; y como una carga no continua los tres cargadores Terminal. El Resultado es el presentado a continuación en la Tabla 7.
Tabla 7. Requerimiento inicial de Cableado conforme a capacidad de corriente.
De la Tabla 7, lo que se identifica, es el tipo de cable monofásico requerido para cada cargador. En cuanto al cableado requerido a la salida de cada uno de los dos transformadores de 750 kVA; se requeriría en primera instancia por fase, 2 cables 1000 kcmil y un cable 250 kcmil. Dado que el diseño debe darse a partir de la estructuración de acometidas principales tendidas de extremo a extremo en la estación para así armar derivaciones de estas a los cargadores, a continuación en la Tabla 8 se plantean los escenarios de conexión más apropiados.
Tabla 8. Cableado a utilizar y sus respectivos usos.
Los escenarios expuestos en la Tabla 8 son resultado de una distribución espacial, en la cual, se determina de manera óptima, la implementación de 3 acometidas principales que conectan entre ambos transformadores, de extremo a extremo de la estación. La acometida de estos cables tiene el mismo dimensionamiento a través de toda la estación, por las razones ya expuestas frente a contingencias en el sistema.
Para la visualización de este cableado, en la Figura 16 se presenta un esbozo de la distribución de las acometidas. Esta referencia es con respecto al requerimiento de cable por fase y concuerda con la explicación dada en la Tabla 8.
Tipo de Carga Cantidad de Cargadores
Tensión (V)
Factor de Potencia
Potencia (kVA)
Corriente de Entrada - ILL (A)
Corriente de Entrada - I1φ(A)
Corriente a Carga continua - I1φ(A)
Conductor de Entrada a cargador- 1φ
Carga Flash 6 400 ~ 1,0 50 125 72,2 90,2 4 AWG
Carga Terminal 3 400 ~ 1,0 200 500 288,7 - 250 kcmil Total Flash 300 750 433,0 541,3
-Total Terminal 600 1500 866,0 866,0
-Totales 900 2250 1299,0 1407,3 2 x 1000 kcmil + 1 x 250 kcmil
Requerimientos en lado AC por tipo de carga
Conductor de Entrada a cargador- 1φ
Capacidad
Nominal x fase (A) Descripción
Cableado Meadia Tensión - Cableado a realizar de acuerdo a las especificaciones de la referencia [9] de Likinormas
4 AWG 95 Cable utilizado para la derivación del Cable principal de alimentación a cada uno de los rectificadores de Carga Flash 250 kcmil 290 Cable utilizado para la alimentación desde cada uno de los transformadores a todos los cargadores Flash del costado
Norte - Cable utilizado para la derivación desde la acometida principal a cada uno de los cargadores Terminal
1000 kcmil 615
Cable Utilizado para conectar desde ambos transformadores para la alimentación de las dos cargas Terminal del costado Norte - Cable utilizado para la alimentación entre ambos transformadores de todos los cargadores Flash del costado sur,
más el cargador Terminal del costado sur
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16
(a)
(b)
Figura 16. Distribución Cableado en la estación.
4.4.2 Cableado externo a la estación en Media Tensión
La conexión a la red de distribución se hace directamente a una tensión de 11,4 kV. La reglamentación de esta es dada por Codensa con su normatividad de Likinormas (ref. [9]). Esta normatividad determina que para nuevas acometidas de media tensión se implemente cable 300 kcmil de Aluminio de 240 mm2.
4.5 Diagrama Unifilar General del diseño
Ya contando con la distribución del cableado, se determina el diagrama unifilar general definitivo del sistema. Este es presentado a continuación en la Figura 17.
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17
Conforme a lo definido en el diagrama unifilar, se pueden observar las 9 cargas definitivas del sistema, la distribución de las mismas, y la alimentación de energía con la que van a contar los cargadores. De igual forma se observan los dos transformadores: cada uno a un extremo de la estación conectados entre sí por las 3 acometidas principales.
4.6 Normatividad Eléctrica
La implementación de los cargadores requiere del manejo de dos niveles de distribución: 11,4 kV y 400 V. La acometida eléctrica comienza en una derivación de una caja de inspección al nivel de media tensión; desde donde se energiza hasta llegar a la subestación que transforma a baja tensión. En media tensión la acometida eléctrica es externa a la estación, mientras que la acometida en baja tensión es al interior de la estación. La normatividad utilizada para los dos tipos de acometida es Likinormas de Codensa. Las normas utilizadas son especificadas a continuación:
Norma AE229: Dimenionamiento de las acometidas subterráneas de Baja Tensión [7]. Norma ET601: Espcificación de la tubería galvanizada para la implementación del
cableadoi[8].
Normas ET601 y AE285: Dimensionamiento de la acometida en media tensión para acometidas subterráneas y aéreas de Codensa [8],[10].
Norma A244: Selección de tubería para la implementación de los cables en las acometidas eléctricas.
Normas CS279, ET240 y CS278: Dimensionamiento y especificaciones de las cajas de inspección.
Especificación corporativa E-MT-0002: El dimensionamiento del cableado y uso de aisladores en la red de media tensión [9].
Norma LAR400: Diseño del sistema de puesta a tierra que debe ser utilizado.
Norma OT1: Determinación de niveles de tensión de conexión de cargas de clientes, verificación de calidad de la potencia.
En cuanto a las normatividades y estándares internacionales utilizados de forma directa se tienen los listados a continuación:
IEC 60909-0: Determinar relación típica X/R para sistemas de distribución.
ANSI/IEEE C57.91: Capacidades de sobrecarga para transformadores de potencia.
IEEE 519 1992: Determinación de los límites de distorsión armónica para sistemas de distribución conforme al consumo de la carga y a la capacidad de corto circuito del nodo de conexión.
Los estándares manejados por los equipos especificados para este proyecto son listados en cada una de las fichas técnicas de los mismos.
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4.7 Dimensionamiento definitivo de Cables y especificación de los elementos de Carga
4.7.1 Escenario Inicial
Tras realizarse una definición inicial del cableado, este es implementado computacionalmente considerando las especificaciones físicas del fabricante, la temperatura de operación, la ampacidad de los cables, y las longitudes reales de los mismos. Para la realización de los flujos de carga en el estudio AC, se utilizó la herramienta computacional ETAP.
En primera instancia se hizo la simulación como se propone en la Figura 13. La definición de equipos involucra los principales parámetros eléctricos de los dos Transformadores de potencia de 750 kVA requeridos a los costados de la estación; del aislamiento galvánico de los cargadores Terminales, el cual también incurre en pérdidas, y de los rectificadores; los cuales cuentan con una eficiencia del 98% y un factor de Potencia cercano a 1.0.
El detalle del cableado, los transformadores y los Buses se encuentran en el diagrama unifilar de la Figura 18. Con base a esta nomenclatura se presentaron los resultados de los flujos de carga mencionados más adelante y presentes en los anexos del informe.
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Bajo este primer escenario, con la alimentación del Transformador Oriental se presentaron los problemas de sobrecarga descritos a continuación en la Tabla 9. En cuanto al perfil de voltajes, todos los nodos presentaron tensiones entre el 95% y el 105% de los valores nominales tras hacer el debido ajuste de taps en los transformadores y alimentación continua a todas las cargas.
Tabla 9. Sobrecargas presentadas en el Flujo de Carga del primer escenario con alimentación por el costado Sur.
Al hacer la alimentación de los cargadores por medio del transformador Oriental se identifica la necesidad de doble refuerzo, tanto en los cables al costado norte como al costado sur a la salida del transformador. Los voltajes permanecen con tensiones cercanas al 101,4% del valor nominal, siendo estas presentadas en los flujos de carga en los anexos en la Figura 37.
En el segundo flujo de carga de este primer escenario, al realizar la alimentación por el costado Norte a través del Transformador Occidental, se cuenta con el mismo tipo de problemas: Sobrecarga en los cables a la salida del transformador. Nuevamente no se registran inconvenientes en el perfil de Voltaje y los detalles de la sobrecarga se presentan en la Tabla 10.
Tabla 10. Sobrecargas presentadas en el Flujo de Carga del primer escenario con alimentación por el costado Norte.
Se identifica en este caso la necesidad de reforzar el conductor principal del costado sur a la salida del transformador. El escenario analizado es aquel en el cual todas las cargas se encuentran conectadas. El voltaje en los nodos de distribución se sitúa alrededor de 101,4%, como se puede observar en los flujos de carga de este escenario presentados en la Figura 36 en los Anexos.
4.7.2 Escenario Definitivo
En la búsqueda de la optimización para un nuevo dimensionamiento de cableado, se decide hacer refuerzos al costado Occidental y al costado Oriental del circuito. Los nuevos refuerzos son los presentados en la Tabla 11.
A partir de estos refuerzos se cuenta con el diagrama unifilar detallado definitivo del sistema, el cual se presenta en la Figura 19.
Capacidad
Nominal (A) Cargabilidad
615 99,7% 615 97,2% 615 113,8% Advertencia en conductor C_NT3
Advertencia en conductor C_S4 Sobrecarga en conductor C_S5
Inconveniente
Alimentación por Transformador T_Oriental
Capacidad
Nominal (A) Cargabilidad
615 109,1%
615 96,6%
Inconveniente
Sobrecarga en conductor C_NT1 Advertencia en conductor C_S1
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En este escenario definitivo se realizaron 8 flujos de carga diferentes. Cuatro flujos de carga con alimentación por medio del transformador del costado Occidental (Red Media costado norte) y cuatro flujos de carga con alimentación del transformador del costado Oriental (Red Media costado sur).
Tabla 11. Refuerzos en cableado para el circuito definitivo.
Para cada costado de alimentación se realizó un flujo de carga en el que todas las cargas se encuentran conectadas, los cuales son presentados en la Figura 38 y la Figura 39 en los anexos. En la Tabla 12 se presentan los flujos de carga por nodo para ambos escenarios de conexión a la red.
Figura 19. Diagrama Unifilar Detallado en el escenario definitivo del sistema.
Nombre Cable Nodo Origen Nodo Fin Referencia
C_NT1A Baja_Centro Occidental Distr_Term_2 750 kcmil C_NT1 Baja_Centro Occidental Distr_Term_2 750 kcmil C_NT3A Baja_Centro Oriental Distr_Term_1 750 kcmil C_NT3 Baja_Centro Oriental Distr_Term_1 750 kcmil C_S1A Baja_Centro Occidental Distr_Flash_4 500 kcmil C_S1 Baja_Centro Occidental Distr_Flash_4 500 kcmil C_S5A Baja_Centro Oriental Distr_Flash_6 500 kcmil C_S5 Baja_Centro Oriental Distr_Flash_6 500 kcmil C_S4A Distr_Flash_6 Distr_Flash_5 500 kcmil C_S4 Distr_Flash_6 Distr_Flash_5 500 kcmil
