Resumen ejecutivo
Red de Media Tensión Exclusiva para Cargadores Flash en la Troncal ElDorado
Juan C. Bolívar C. Mario A. Ríos M.
Estudiante Asesor
Descripción del Proyecto
El propósito de este proyecto es diseñar y establecer las características mínimas necesarias para construir una red exclusiva de media tensión, para la alimentación eléctrica de las 14 estaciones de recarga tipo flash de buses eléctricos tipo e-BRT que podrían usarse en la troncal ElDorado del sistema Transmilenio. El sistema de recarga está conformado por cargadores “flash” de 500 Vdc/400 kW dispuestos para cada estación según su distribución de paraderos. El diseño se realiza satisfaciendo los requerimientos exigidos en cuanto a calidad del servicio y el cumplimiento de lo estipulado en el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE).
Marco Conceptual
La troncal ElDorado está conformada por 14 paraderos, distribuidos en 13 estaciones convencionales y 1 portal. En laTABLA I se lista la ubicación (distancia) de cada una a lo largo de la troncal, con punto de inicio
el Portal ElDorado y punto de finalización la estación Universidades, además de la demanda en kW que aportará cada una de las estaciones al sistema final. En la TABLA II se listan las subestaciones eléctricas del
sistema de distribución de CODENSA más cercanas a la Avenida Eldorado, a partir de las cuales se plantean las alternativas de conexión.
TABLA IUBICACIÓN Y DEMANDA MÁXIMA DE CADA UNA DE LAS ESTACIONES DE LA TRONCAL ELDORADO
Estaciones Distancia (m) Demanda Máxima (kW)
Portal ElDorado 0 700
Modelia 800 650
Normandía 1600 550
Av. Rojas 2500 700
El Tiempo - Maloka 3150 650
Salitre - El Greco 3950 700
CAN 4500 750
Gobernación 5000 600
Quinta Paredes 5700 650
Corferias 6250 650
Ciudad Universitaria 7100 750
Plaza de la Democracia 7700 600
Centro Memoria 8500 500
Universidades 10700 600
Resumen ejecutivo TABLA IIDISTANCIA DE CADA SUBESTACIÓN A LA TRONCAL
Planteamiento de Alternativas
De acuerdo a la información suministrada en las TABLA I y II, se plantearon diferentes alternativas de
interconexión, teniendo en cuenta elanálisis conductor económico, tomando como referencia la norma internacional IEC 60287-3-2. Donde se establece un procedimiento analítico para determinar la sección óptima de conductores para una instalación eléctrica, que como cualquier otro elemento de una unidad de producción, debe generar utilidad económica, ya que tiene un tiempo esperado de vida, un precio de instalación inicial y gastos operativos durante su vida útil. Además, se tiene en cuenta lo estipulado en la norma técnica de Codensa “Generalidades 3.3.1. Conductores aislados para distribución subterránea”
Con base en las diferentes configuraciones de interconexión realizadas, distribuyendo la carga (número de
estaciones) entre las 6 subestaciones listadas en la TABLA II, las subestaciones que finalmente optimizan la
interconexión en cuestión de ahorro en conductor son Salitre, San Façon y Carrera 5, a partir de las cuales se tienen tres alternativas de conexión ilustradas en la figura 1, con distribución de estaciones como se lista en las TABLAS VIII,IXyX.
TABLA IIIDISTRIBUCIÓN DE CARGA ALTERNATIVA 1
TABLA IVDISTRIBUCIÓN DE CARGA ALTERNATIVA 2
TABLA VDISTRIBUCIÓN DE CARGA ALTERNATIVA 3
Figura 1 Distribución de Subestaciones Alternativas 1, 2 y 3
Sub estación Distancia a la troncal (m)
Salitre 634
Carrera 5 779
San Façon 1100
La Florida 1640 Gorgonzola 2300
La Paz 2680
Subestaciones Eléctricas % Carga MW MVA
Salitre 72,93 6600 6947,37 San Façon 20,44 1850 1947,37 Carrera 5 6,63 600 631,58
TOTAL 100 9050 9526,32
Subestaciones Eléctricas % Carga MW MVA
Salitre 43,65 3950 4157,89 San Façon 49,72 4500 4736,84 Carrera 5 6,63 600 631,58
TOTAL 100 9050 9526,32
Subestaciones Eléctricas % Carga MW MVA
Salitre 51,93 4700 4947,37 San Façon 41,44 3750 3947,37 Carrera 5 6,63 600 631,58
Resumen ejecutivo
En las TABLA III,IVyV se lista la distribución de carga entre cada una de las tres subestaciones para cada una
de las tres alternativas planteadas.
Alternativa optima
Realizando el respectivo análisis de conductor económico sobre cada una de las alternativas descritas anteriormente, se obtuvieron los conductores listados en laTABLA VI para cada uno de los tramos de la
respectiva alternativa.
TABLA VITIPO DE CONDUCTOR PARA CADA ALTERNATIVA
Con base en la información ilustrada anteriormente, se realizó el respectivo estudio eléctrico sobre cada una de las alternativas, encontrándose problemas de cargabilidad en los tramos de Salitre y San Façon para las alternativas 2 y 3.
Por lo tanto, la alternativa óptima a implementar es la 1. De acuerdo con el análisis de conductor económico, se tiene un VPN total del sistema equivalente a $19´847.700, que es mayor comparado con el que se obtendría al utilizar otro calibre de conductor y/u otro tipo de configuración de conexión del sistema.
TABLA VIIVPNALTERNATIVA I
Además de los datos listados en la TABLA VII, realizando un análisis de confiabilidad con base en los
indicadores de calidad estipulados por la CREG 070 de 1998 e internacionalmente (SAIFI y SAIDI), se tiene para este sistema un SAIFI equivalente a 1.512 f/año y un SAIDI de 5.215 h/año, que comparado con los datos promedio suministrados en las memorias anuales de CODENSA en los últimos 3 períodos, para este tipo de conexión, los indicadores del sistema se encuentra por debajo, con lo que se puede concluir una buena confiabilidad del sistema. Además de esto, para garantizar la confiabilidad del sistema se debe implementar un circuito de respaldo con idénticas características a los circuitos previamente descritos, esto debido a que, si se realizara el diseño del circuito de respaldo desde subestaciones diferentes, se incurriría en mayores costos, puesto que las tres subestaciones seleccionadas son las que optimizan la distancia de alimentación del sistema, por ende el ahorro de conductor. De este modo, con la implementación de los circuitos de respaldo, los índices de calidad para el sistema serian ahora SAIFI equivalente a 0.9027 f/año y un SAIDI de 3.1170 h/año, lo que ratifica el aporte en confiabilidad de la implementación de estos circuitos de respaldo.
1 2 3
Salitre 300 AWG/kCM 4/0 AWG/kCM 4/0 AWG/kCM
San Façon 2/0 AWG/kCM 4/0 AWG/kCM 4/0 AWG/kCM
Carrera 5 2 AWG/kCM 2 AWG/kCM 2 AWG/kCM
Alternativas/Tipo de Conductor Subestaciones
Eléctricas
Subestación VPN (miles $)
Salitre 9497
San Façon 7603
Resumen ejecutivo Conclusión
Se realizó el diseño y análisis de implementación de la red de media tensión exclusiva para cargadores flash en la troncal ElDorado, siguiendo toda la normativa establecida para este fin, aunque es importante mencionar:
1. El conductor óptimo para la implementación del circuito que sale de la subestación Carrera 5, que cumple con la restricción estipulada por CODENSA para este tipo de instalación es el de calibre 2 AWG/kCM, es importante esta aclaración, puesto que si el proyecto no tuviese restricciones establecidas por la normativa técnica, se podría utilizar un conductor de calibre 4 AWG/kCM, con el que se tendría un VPN mayor.
2. La implementación de un circuito de respaldo de idénticas características que el circuito principal, anteriormente descrito, garantizaría y mejoraría la confiabilidad del sistema. Además al brindar el respaldo al sistema con circuitos idénticos a los circuitos principales, partiendo de las mismas subestaciones, se cumpliría con la restricción del diseño exclusivo para esta Red.
3. Para obtener un ahorro mayor y teniendo en cuenta el porcentaje de demanda asignado a cada circuito, el circuito de respaldo tanto para las estaciones alimentadas por la subestación de San Façon y Carrera 5 podría tomarse desde la red que ya tiene implementada Codensa.
Salvo lo anterior, con la implementación de esta alternativa se tienen ahorros significativos en comparación a otro tipo de topología y tipo de conductor, además se logra reducir el impacto en la generación de una energía más limpia.
Resumen ejecutivo TABLA IXINTERCONEXIÓN ALTERNATIVA II
N° tesis: jcb
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
Juan Carlos Bolívar Calderón
Red de Media Tensión Exclusiva para Cargadores Flash en el troncal
ElDorado
Sustentado el día mes de año frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Mario Alberto Ríos Mesías, Ph D, Profesor Titular, Universidad de Los Andes
Red de Media Tensión Exclusiva para Cargadores
Flash en la troncal ElDorado
2
Contenido
1 INTRODUCCIÓN ... 6
2 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ... 7
3 NORMATIVA APLICABLE ... 11
4 PROYECTO ... 13
5 PROCESO DE DISEÑO ... 13
5.1 Selección del tipo de alimentación (Aérea o Subterránea). ... 13
5.2 Calculo del perfil de demanda. ... 15
5.3 Selección de Subestaciones Eléctricas. ... 16
5.4 Planteamiento de Alternativas de Conexión. ... 18
5.5 Selección de materiales, componentes y dispositivos a utilizar ... 19
5.6 Selección de la Alternativa Óptima. ... 20
5.7 Cantidades de Obra. ... 24
5.8 Análisis de Confiabilidad del diseño de la red de alimentación. ... 24
5.9 ESTUDIOS ELECTRICOS ... 29
5.10 PÉRDIDAS DEL SISTEMA e IMPACTO EN LA RED ... 31
5.11 ANÁLISIS DE COSTOS ... 32
6 CONCLUSIONES ... 33
7 AGRADECIMIENTOS ... 34
8 REFERENCIAS ... 35
9 APENDICES ... 38
9.1 PÉRDIDA DE ENERGÍA EN LOS CONDUCTORES ELÉCTRICOS ... 38
9.2 DIMENSIONAMIENTO ÓPTIMO DE CONDUCTORES ELÉCTRICOS ... 38
9.3 ANALISIS DE CONFIABILIDAD ... 39
10 ANEXOS ... 42
10.1 Alternativas: Distribución de las estaciones para las respectiva configuración de interconexión. ... 42
10.2 Alternativas: Distribución de las estaciones para las respectiva configuración de interconexión. ... 49
10.3 Resultados Análisis Conductor Económico para la alternativa óptima (alternativa 1) ... 51
10.4 Unifilar del sistema a implementar ... 59
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Flash en la troncal ElDorado
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Índice de Figuras
Figura 1 Unifilar Área Bogotá [17] ... 18
Figura 2 Distribución de Subestaciones Alternativas 1, 2 y 3 ... 22
Figura 3 Comportamiento de los indicadores de Calidad durante los últimos tres periodos 27 Figura 4 Perfil de Voltaje del sistema con la implementación de la alternativa óptima ... 29
Figura 5 Corrientes cortocircuito en los principales nodos del sistema ... 30
Figura 6 Curvas de carga del Sistema ... 32
Figura 7 Perfil de demanda Portal ElDorado... 42
Figura 8 Perfil de demanda estación Modelia. ... 42
Figura 9 Perfil de demanda estación Normandía... 43
Figura 10 Perfil de demanda estación Av. Rojas... 43
Figura 11 Perfil de demanda estación El Tiempo... 44
Figura 12 Perfil de demanda estación Salitre. ... 44
Figura 13 Perfil de demanda estación CAN. ... 45
Figura 14 Perfil de demanda estación Gobernación. ... 45
Figura 15 Perfil de demanda estación Quinta Paredes. ... 46
Figura 16 Perfil de demanda estación Corferias. ... 46
Figura 17 Perfil de demanda estación Ciudad Universitaria. ... 47
Figura 18 Perfil de demanda estación Plaza de la Democracia. ... 47
Figura 19 Perfil de demanda estación Centro Memoria. ... 48
Figura 20 Perfil de demanda estación Universidades. ... 48
Figura 21 Sección conductores para diseño de red eléctrica. ... 51
Figura 22 Eficiencia de Cada Conductor ... 51
Figura 23 Ahorro de Energía durante la Vida Útil del sistema ... 51
Figura 24 Pérdida de Energía durante la Vida Útil del sistema... 52
Figura 25 Costo Pérdida de Energía durante la Vida Útil del sistema ... 52
Figura 26 Caída de tensión en el conductor sistema ... 52
Figura 27 VPN de este tramo del Sistema ... 52
Figura 28 Tiempo recuperación de la inversión. ... 53
Figura 29 Consumo de petróleo durante la vida útil. ... 53
Figura 30 Emisión de CO2 durante la vida útil del sistema ... 53
Figura 31 Eficiencia de Cada Conductor ... 53
Figura 32 Ahorro de Energía durante la Vida Útil del sistema ... 54
Figura 33 Pérdida de Energía durante la Vida Útil del sistema... 54
Figura 34 Tiempo recuperación de la inversión. ... 54
Figura 35 VPN de este tramo del Sistema ... 54
Figura 36 Caída de tensión en el conductor sistema ... 55
Figura 37 VPN de este tramo del Sistema ... 55
Figura 38 Consumo de petróleo durante la vida útil. ... 55
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Flash en la troncal ElDorado
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Figura 40 Eficiencia de Cada Conductor ... 56
Figura 41 VPN de este tramo del Sistema ... 56
Figura 42 Ahorro de Energía durante la Vida Útil del sistema ... 56
Figura 43 Pérdida de Energía durante la Vida Útil del sistema... 56
Figura 44Caída de tensión en el conductor sistema ... 57
Figura 45 VPN de este tramo del Sistema ... 57
Figura 46Tiempo recuperación de la inversión. ... 57
Figura 47 Consumo de petróleo durante la vida útil. ... 57
Figura 48Emisión de CO2 durante la vida útil del sistema ... 58
Figura 49 Unifilar tramo interconexión de estaciones a la subestación Salitre ... 59
Figura 50Unifilar tramo interconexión de estaciones a la subestación San Façon ... 60
Figura 51 Unifilar tramo interconexión de estaciones a la subestación Carrera 5 ... 61
Figura 52 Coordinación protección Fusible-Transformador ... 62
Figura 53 Coordinación protección Rele-Cable ... 63
Figura 54 Coordinación protección Fusible-Rele ... 64
Figura 55 Coordinación protección Fusible-Cable ... 65
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Índice de Tablas
TABLA 1 LONGITUD TRONCALES SISTEMA TRANSMILENIO (KM) ... 9
TABLA 2 ESTACIONES SENCILLAS DEL SISTEMA TRANSMILENIO ... 10
TABLA 3 PORTALES DEL SISTEMA TRANSMILENIO ... 10
TABLA 4 ESTACIONES INTERMEDIAS DEL SISTEMA TRANSMILENIO ... 10
TABLA 5 CLASIFICACIÓN DE VÍAS SEGÚN SU CAPACIDAD . ... 14
TABLA 6 PERFIL DE DEMANDA DE CADA ESTACIÓN DE TRANSMILENO. ... 16
TABLA 7 SUBESTACIONES Y SU RESPECTIVA DISTANCIA A LA TRONCAL DE ELDORADO ... 17
TABLA 8 ESTACIONES TRONCAL DEELDORADO Y SUS RESPECTIVA DISTACIA ... 17
TABLA 9 CABLES UTILIZADOS Y SUS EQUIVALENCIAS PARA REDES SUBTERRANEAS... 19
TABLA 10 DISTRIBUCIÓN DE CARGA ALTERNATIVA I ... 19
TABLA 11 DISTRIBUCIÓN DE CARGA ALTERNATIVA II ... 21
TABLA 12 DISTRIBUCIÓN DE CARGA ALTERNATIVA 3 ... 22
TABLA 13 DISTRIBUCIÓN DE ESTACIONES PARA LA INTERNONEXIÓN ALTERNATIVA I ... 22
TABLA 14 DISTRIBUCIÓN DE ESTACIONES PARA LA INTERNONEXIÓN ALTERNATIVA II ... 23
TABLA 15 DISTRIBUCIÓN DE ESTACIONES PARA LA INTERNONEXIÓN ALTERNATIVA III ... 23
TABLA 16 TIPO DE CONDUCTOR PARA CADA ALTERNATIVA ... 24
TABLA 17 CANTIDADES DE OBRA... 24
TABLA 18 ÍNDICES DEL SISTEMA ... 26
TABLA 19 ÍNDICES DEL SISTEMA 2° ANALISIS ... 27
TABLA 20 ÍNDICES DE CALIDAD POR ESTACIÓN ... 28
TABLA 21 RESTRICCIONES DE VOLTAJE Y CARGABILIDAD SEGÚN LA CREG 108. ... 29
TABLA 22 PERDIDAS ANUALES DE LOS CONDUCTORES ... 31
TABLA 23 COSTOS UNITARIO POR EQUIPO E INVERSIÓN TOTAL ... 33
TABLA 24 DISTRIBUCIÓN DE ESTACIONES PARA LA INTERNONEXIÓN ALTERNATIVA IV... 49
TABLA 25 DISTRIBUCIÓN DE ESTACIONES PARA LA INTERNONEXIÓN ALTERNATIVA V ... 49
TABLA 26 DISTRIBUCIÓN DE ESTACIONES PARA LA INTERNONEXIÓN ALTERNATIVA VI ... 50
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1
INTRODUCCIÓN
Este documento presenta un análisis detallado del diseño de una red exclusiva de media tensión para la alimentación de las 14 estaciones que componen la troncal de ElDorado, esto con el objetivo de mejorar la calidad de vida en el ámbito ambiental de los habitantes de la ciudad, con la puesta en marcha de buses eléctricos del sistema de Transmilenio. Para lo cual es indispensable una adecuación de la infraestructura que se tiene en la actualidad, con el fin de realizar la carga de los buses. Por lo que se requiere implementar una red de alimentación independiente al sistema que se encuentra implementado hoy en día.
La implementación de un sistema de Alimentación de este tipo no se ha realizado aun localmente, sin embargo se podría tomar como referencia el “Sistema de alimentación eléctrica a Sistemas de transporte masivo tipo metro” [1] el cual se deriva del proyecto de investigación “Modelos para el planeamiento de sistemas de distribución con alimentación a sistemas de transporte eléctrico masivo”, e igualmente tomar como referencia el estudio realizado en “Características de un sistema eléctrico de transporte masivo con tranvías” [2]
Por su parte, analizando proyectos realizados en el exterior, se podría tener presente las pruebas realizadas en Uruguay que indican que el autobús eléctrico puede disminuir entre seis y ocho veces el costo de funcionamiento de un modelo a diésel. Desde hace dos años, se analizan los beneficios de los vehículos eléctricos para sumarlos a la flota del transporte público de Montevideo, donde viven la mitad de los 3,3 millones de habitantes de este país.
Estos vehículos funcionan con un banco de baterías de litio y fosfato de hierro, una tecnología biodegradable que no incluye metales pesados. El auto y el ómnibus tienen una autonomía por carga de 300 y 250 kilómetros respectivamente.
Se cargan en una red eléctrica que debe tener una potencia de 10 kW/hora, cuando la de los hogares uruguayos oscila de dos a seis kW/hora [3].
Además se podría analizar la alimentación implementada para el funcionamiento del trolebús, también conocido como trolley o trole, es un ómnibus eléctrico, alimentado por una catenaria de dos cables superiores desde donde toma la energía eléctrica mediante dos astas.
Adicional a esto la compañía ABB actualmente desarrollo un proyecto piloto denominado Trolleybus Optimisation Système Alimentation (TOSA), el cual consiste en un bus articulado eléctrico de carga "flash". El cargador de ABB emplea un brazo controlado por láser para conectar el receptáculo del autobús con el cargador, integrado dentro de la marquesina de la propia parada; el proceso consiste en una recarga instantánea de 15 segundos mediante un impulso de 400 kW durante el momento de
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la subida y bajada de pasajeros, almacenando de esta forma la energía suficiente para desplazarse a la siguiente parada (distancia aproximada entre una parada y otra 2 km). Esta recarga tiene lugar en varias paradas estratégicamente elegidas dentro del itinerario habitual, la cual se completa de con una recarga adicional entre 3 a 4 minutos tanto al inicio como al final de la línea [4] [5].
La relevancia de este proyecto radica en la eliminación de gases, debido a que la combustión no tiene lugar en este proceso; TOSA es un proyecto diseñado para rutas urbanas que implica cambios en la infraestructura del transporte dando lugar a un transporte flexible, rentable y sostenible [5].
Por lo tanto, el objetivo principal del proyecto consiste en realizar el diseño de la red de alimentación de media tensión exclusiva para cargadores flash en el troncal Eldorado. Para lo cual se debe, realizar un diseño conceptual del sistema, calcular el perfil de demanda de cada una de las estaciones que compone la troncal, plantear un diseño básico que permita la selección del tipo de alimentación (Aérea o Subterránea), para posteriormente realizar la selección de materiales, componentes y dispositivos a utilizar. Finalmente se debe efectuar un análisis del impacto en la red eléctrica por la implementación de este sistema, además se debe efectuar el cálculo de perdidas máximas de energía del sistema a implementar, al igual que estudios de análisis de confiabilidad del diseño de la red de alimentación y estudios eléctricos.
De este modo, a continuación se explica paso a paso el planteamiento de diferentes alternativas de interconexión, teniendo como prioridad la reducción de costos sin que esto afecte la confiabilidad del sistema, todo esto mediante un análisis de conductor económico, para finalmente dar una alternativa optima respaldada en los resultados obtenido luego de cada uno de los análisis realizados y las reglamentaciones que existen para un proyecto de esta envergadura.
2
DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
Bogotá enfrenta, con el uso de la electricidad, los desafíos en transporte público y cuidado del medio ambiente, por lo que la ciudad adelanta proyectos para optimizar la movilidad y conservar el medio ambiente a través del uso de otras tecnologías.
Ante los retos que esto genera, la Empresa de Energía de Bogotá constituyó la filial Empresa de Movilidad de Bogotá S.A.S. ESP, conformada por la Empresa de Energía de Bogotá S.A. ESP y EBB Gas S.A.S., cuyo objeto es el desarrollo del componente eléctrico para sistemas de transporte masivo, de pasajeros, de carga y otras modalidades.
De acuerdo al Grupo de Energía de Bogotá, la entidad está estructurando diferentes proyectos de movilidad eléctrica bajo la modalidad de asociaciones público privadas (APP), entre las cuales se encuentran Bogotá Eléktrika, con miras a la electrificación parcial de troncales de Transmilenio, correspondientes a las Fases I y II, y a la puesta en operación de buses de cero o bajas emisiones; y la APP ‘Tren en corredores occidente y sur’, una iniciativa que busca poner en operación sistemas
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de trenes tranvías en los corredores existentes de la Estación de la Sabana - Facatativá y la Estación de la Sabana - Soacha.
La idea que expone la alcaldía de la ciudad es que se tengan buses nuevos eléctricos o semieléctricos que cumplan con las funciones de trasporte urbano de pasajeros en la ciudad.
Este es uno de los grandes empeños y saltos que se quieren dar en el transporte público masivo y con base en ello se han agenciando las asociaciones previamente mencionadas, puesto que el objetivo es lograr una electrificación de los buses de cada una de las fases de Transmilenio. Y es que este tipo de tecnologías, de acuerdo con diversos estudios y análisis, se vienen convirtiendo en una de las alternativas más eficientes en el mundo.
Un claro ejemplo se observa en el artículo Energía eléctrica, alternativa para el transporte urbano en Colombia, publicado en el boletín del ‘Observatorio colombiano de energía’, que indica que “en sistemas metro, el consumo de energía para movilizar un pasajero en una distancia de un kilómetro es de 0,15 KWh; en un bus eléctrico articulado el consumo es de 0,18 KWh; en un bus diésel articulado, 0,40 KWh; en un vehículo de gasolina se requiere un consumo de 0,65 KWh” [6], lo que evidencia, que el uso de la energía eléctrica como combustible en el transporte masivo representa mayores beneficios energéticos, en comparación a modos de transporte de combustión interna.
El compromiso con estas iniciativas se encuentra liderado desde la Alcaldía Distrital que, a través del Decreto 477 de 2013, obliga a la implementación de nuevas tecnologías de buses con cero o baja emisiones de gases y CO2 y de mayor eficiencia energética que aplica para el Sistema integrado de
Transporte Masivo y que incluye las troncales de TransMilenio.
Además de esto, otro de los objetivos es aumentar el uso de energía eléctrica, de acuerdo con el Grupo de Energía de Bogotá, donde se pretende impulsar la demanda eficiente de energía, que permita estructuralmente mejorar la rentabilidad económica. Colombia tiene un consumo de energía eléctrica per cápita de 1.067 kW/hora por habitante mientras que el promedio a nivel mundial es de cerca de 3.100 kW/hora por habitante, lo que indica que se tiene un gran potencial de crecer la demanda de energía de manera eficiente y por ende impulsar el crecimiento económico y tecnológico de la ciudad [6].
Los sistemas BRT ((bus de transito rápido por sus siglas en inglés) pueden contribuir a mejorar la calidad del aire y reducir las emisiones de gases efecto invernadero, si se comparan con los sistemas de buses tradicionales o el uso del automóvil particular. Tal es el caso del sistema Transmilenio de Bogotá que fue certificado como proyecto MDL (Mecanismo de Desarrollo Limpio) ante la UNFCC por la reducción de 1.6 millones de toneladas de CO2 equivalente entre el periodo 2006-2012 (UNFCCC, 2012). Sin embargo, los BRT también han sido objeto de críticas porque los autobuses utilizados son usualmente propulsados por motores diésel, cuyas emisiones contienen elementos contaminantes como material particulado, precursores de ozono, benceno, arsénico, dioxinas, formaldehído, entre otros. Los cuales generan impactos negativos en la salud humana, siendo incluso clasificados como emisiones cancerígenas bajo ciertos niveles de exposición que aún no han sido determinados, de aquí el aval para la implementación de buses eléctricos y toda su infraestructura [7].
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Flash en la troncal ElDorado
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El Sistema TransMilenio es un sistema BRT, que se basa en la operación de buses de alta capacidad con articulados de 150 pasajeros y bi – articulados de 250 pasajeros en carriles exclusivos. Está compuesto por un número de troncales, que se han construido y seguirán construyéndose por fases, que incluyen un número de vías seleccionadas como grupo.
Hasta el 2013 se han construido tres fases, que se hicieron en el siguiente orden [8]:
Fase I: Autopista Norte, Avenida Caracas, Calle 80 y Eje Ambiental (2000 – 2002) Fase II: Avenida de las Américas, NQS, Avenida Suba (2003- 2005 – 2006) Fase III: Carrera 10, Calle 26, Calle 6 (en construcción) (2012 – 2013)
Actualmente se encuentra en construcción la Calle 6; cuando finalice su construcción, el Sistema troncal va a tener una longitud total de 112.9 km. A continuación se presenta la longitud de cada una de las troncales, divididas por fase.
TABLA 1LONGITUD TRONCALES SISTEMA TRANSMILENIO (KM)[8]
El Sistema tiene tres diferentes tipos de paraderos: estaciones sencillas, estaciones intermedias y portales. Las estaciones sencillas cumplen función de recibir y dejar pasajeros, mientras que las estaciones intermedias y portales cumplen también la función de integración con las rutas alimentadoras o transferencias. En las tres fases del Sistema se tienen 123 estaciones sencillas, 9 portales y 8 estaciones intermedias. A continuación se encuentran estas cifras discriminados por fase y troncal.
Autonorte 10,3 Caracas - Usme 18,3 Caracas - Tunal 1,7 Calle 80 10,4 Eje Ambiental 1,9
Total Fase I 42,3
Américas 13
NQS 19,3
Suba 13
Soacha 3,6
Total Fase II 48,9 Calle 26 12,2
Carrera 10 7,3 Calle 6 2,2
Total Fase III 21,7 112,9 Longitud troncales Fase I Longitud troncales Fase II Longitud troncales Fase III
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Flash en la troncal ElDorado
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TABLA 2ESTACIONES SENCILLAS DEL SISTEMA TRANSMILENIO [8]
TABLA 3PORTALES DEL SISTEMA TRANSMILENIO [8]
TABLA 4ESTACIONES INTERMEDIAS DEL SISTEMA TRANSMILENIO [8]
De acuerdo a la información en las tablas anteriores, se puede hacer una imagen global del tamaño y composición de la troncal ElDorado (Calle 26). Además de acuerdo a la planeación de electrificación parcial de troncales de TransMilenio, correspondientes a las Fases I y II, el siguiente paso sería la Fase III, por lo que realizar el análisis de diseño de electrificación para la implementación de dispositivos de carga “flash” para buses eléctricos en esta troncal; objetivo de
Portal del Norte 1 Portal de la 80 1 Portal de Usme 1 Portal del Tunal 1
Total Portales Fase I 4
Portal de las Américas 1 Portal del Sur 1 Portal de Suba 1
Total Portales Fase II 3 Calle 26 1
Carrera 10 1
Total Portales Fase III 2 9 Portales Fase I Portales Fase II Portales Fase III
Total Portales fase I, II y III
Calle 40s 1
Molinos 1
Cra. 77 1
Av. Cali 1
Total Intermedias Fase I 4
Banderas 1
General Santander 1
Total Intermedias Fase II 2
Bicentenario 1 Av. 1° de Mayo 1
Total Intermedias Fase III 2
8 Estaciones Intermedias Fase I Estaciones Intermedias Fase II Estaciones Intermedias Fase III
Total Estaciones Intermedias fase I, II y III
Autonorte 15 Caracas - Usme 14 Caracas - Tunal 12 Calle 80 10 Eje Ambiental 3
Total Fase I 54
Américas 14 NQS Central 11
NQS 10
Suba 13
Soacha 4
Total Fase II 20 Calle 26 13
Carrera 10 8
Total Fase III 21 127 Longitud
troncales Fase III
Total Estaciones fase I, II y III Estaciones
Fase I
Estaciones Fase II
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Flash en la troncal ElDorado
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este proyecto; sería de gran ayuda en primera medida, al realizar un adecuado estudio de viabilidades y costos, lo que permitirá dar la alternativa que optimicé costos, recursos y tiempo para la implementación del proyecto. Lo que, con su ejecución conllevaría a una segunda instancia que favorecería todo el plan normativo ambiental; es importante reseñar en este punto que el sector transporte en Colombia, según datos de la Unidad de Planeación Minero y Energética de Colombia (UPME), consume el 38% de la energía primaria, dicho consumo para el año 2030 aumentará en 2,2 veces su demanda de energía [9].
Este sector es el responsable del 15% de las emisiones CO2 en el país (26 M ton - año 2010), su
movilidad tiene una dependencia total por combustibles fósiles (diésel). Por su parte el Plan decenal de descontaminación del aire en Bogotá; analizó el sector de transporte en Bogotá, obteniendo datos relevantes, como que el 100% depende de combustibles fósiles, ±9 MM de viajes se realizan a través de modos motorizados arrojando unas emisiones equivalentes a 6 millones de toneladas de CO2, distribuida en 1.400 toneladas de material particulado y 54.000 toneladas de Nox, con lo que, la
implementación de un sistema eléctrico de buses en esta troncal aportaría en gran medida a la reducción de estas estadísticas, ayudando a la salud ambiental tanto de la ciudad como de sus habitantes, sin obviar el benefició prestado al planeta. Además, la incentivación al desarrollo económico, generado no solo por el aumento per cápita de electricidad, lo cual trae avance tecnológico y desarrollo a la ciudad, sino por la ubicación estratégica que ocupa esta troncal de Transmilenio [10].
Todo esto justificado en la implementación de la tecnología híbrida en ciudades norteamericanas (Vancouver, Seattle, Nueva York, Los Ángeles, Washington) y algunas ciudades europeas, que como es de conocimiento general el avanzado desarrollo tecnológico de estas. Este tipo de tecnología se considera una alternativa de desarrollo/evolución de las tecnologías de combustión interna puesto que ofrece un aumento del rendimiento energético (±20%), reducción de emisiones (±40%) y ruido (±15%) y mayor confort [9].
3
NORMATIVA APLICABLE
Para toda instalación eléctrica nueva, ampliación y remodelación de la misma, que se realice en los procesos de Generación, Transmisión, Transformación, Distribución y Utilización de la energía eléctrica, así como lo referente a algunos productos de mayor utilización en las instalaciones eléctricas, se debe regir y aplicar lo estipulado por el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas – RETIE [11].
Cuyo objetivo es el de establecer medidas que garanticen la seguridad de las personas, de la vida animal y vegetal y la preservación del medio ambiente; previniendo, minimizando o eliminando los riesgos de origen eléctrico. Estas prescripciones parten de que se cumplan los requisitos civiles, mecánicos y de fabricación de equipos.
Para cumplir estos objetivos legítimos, el RETIE se basa en los siguientes objetivos específicos, la mayoría de los cuales son tenidos en consideración para el cumplimiento del objetivo general del presente proyecto.
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Establecer las condiciones para prevenir incendios causados por electricidad.
Fijar las condiciones para evitar quema de árboles causada por acercamiento a líneas de energía.
Establecer las condiciones para evitar muerte de animales causada por cercas eléctricas. Establecer las condiciones para evitar daños debidos a sobrecorrientes y sobretensiones. Adoptar los símbolos de tipo verbal y gráfico que deben utilizar los profesionales que ejercen la
electrotecnia.
Minimizar las deficiencias en las instalaciones eléctricas.
Establecer claramente los requisitos y responsabilidades que deben cumplir los diseñadores, constructores, operadores, propietarios y usuarios de instalaciones eléctricas, además de los fabricantes, distribuidores o importadores de materiales o equipos.
Unificar las características esenciales de seguridad de productos eléctricos de más utilización, para asegurar mayor confiabilidad en su funcionamiento.
Prevenir los actos que puedan inducir a error a los usuarios, tales como la utilización o difusión de indicaciones incorrectas o falsas o la omisión de datos verdaderos que no cumplen las exigencias del Reglamento.
Exigir confiabilidad y compatibilidad de los productos y equipos eléctricos mencionados expresamente. [11]”
El RETIE se aplica desde el primero de mayo de 2005 a:
“Toda instalación eléctrica nueva.
Toda ampliación de una instalación eléctrica.
Toda remodelación de una instalación eléctrica que se realice en los procesos de generación, transmisión, transformación, distribución y utilización de la energía eléctrica. [11]”
De igual manera las siguientes operaciones deben regirse por el RETIE:
“Remodelaciones de instalaciones eléctricas existentes a la entrada en vigencia del RETIE cuando el cambio de los componentes de la instalación eléctrica sea igual o superior al 80% Personas que intervienen en la instalación
Diseñadores, constructores o instaladores, fabricantes y distribuidores de los productos aquí relacionados, interventores, certificadores, propietarios, prestadores del servicio público de electricidad
Instalaciones de corriente continua mayores o iguales a 50 V y de corriente alterna entre 25 V y 500 kV
Instalaciones eléctricas de frecuencia inferior a 1000 Hz
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De igual manera se deben seguir los lineamientos establecidos por la CREG, Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG por sus siglas), entidad colombiana encargada de regular los servicios de electricidad y gas según se establece en la ley 142 y 143 de 1994.
Además se debe tener en cuenta las 934 normas de construcción y las 216 especificaciones técnicas, según apliquen, proporcionadas por Codensa, donde se establecen las especificaciones técnicas y los requisitos mínimos que deben cumplir los materiales y equipos adquiridos y/o instalados en el sistema de distribución de energía [12].
4
PROYECTO
Con el propósito de electrificar el sistema BRT de la Avenida El Dorado, se estudia los esquemas de diseño para atender el sistema e-BRT con cargadores tipo flash en paraderos; tal como el sistema TOSA. TOSA es un prototipo de autobús eléctrico que actualmente presta sus servicios en la ciudad de Ginebra. Más que por la distancia que recorre, que no supera los 1.500 metros (desde el aeropuerto hasta el centro de exposiciones Palexpo); o el servicio sin emisiones que presta, la importancia de su existencia reside en su sistema de recarga, TOSA aprovecha el momento de entrada y salida de pasajeros para realizar una carga de 400 kW en 15 segundos. Esta es provista a través de la propia ruta del vehículo, gracias a un sistema de paradas dotadas del pertinente cargador [13].
Así, el propósito de este proyecto es establecer la metodología, parámetros y características mínimas necesarias para diseñar y construir una Red exclusiva de media tensión, para la alimentación eléctrica de las 14 estaciones de pasajeros de Transmilenio de la troncal Eldorado, para la implementación del sistemas de carga para buses articulados eléctricos, asumiendo un sistema de carga conformado por cargadores de 500 Vdc/400 kW [7] dispuestos para cada estación según su distribución de paraderos; instalación de un cargador flash por cada una de las puertas. Satisfaciendo los requisitos exigidos por la calidad del servicio, satisfaciendo que el sistema debe operar siempre en condiciones de contingencia N-1. Igualmente el cumplimiento de lo solicitado en el Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas (RETIE) [11]. Es importante resaltar que se seleccionaran las subestaciones de AT/MT de donde se planteará/diseñará la red de media tensión de alimentación de los cargadores; asumiendo capacidad disponible en dichas subestaciones
5
PROCESO DE DISEÑO
5.1
Selección del tipo de alimentación (Aérea o Subterránea).
El criterio principal para elegir el tipo de alimentación a implementar, Aérea o Subterránea; se basa en lo estipulado en el reglamento dado por Codensa “Generalidades. 1.1 Normas de construcción redes urbanas de distribución” [14], que establece que dentro del perímetro urbano de la ciudad las redes de distribución de energía eléctrica están localizadas en las zonas de utilidad pública previstas para la ubicación de los servicios públicos domiciliarios y por ello no se discrimina una
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zona de afectación de líneas de media (34,5 kV, 13,2 kV y 11,4 kV), baja tensión ni de alumbrado público. En la parte urbana de Santa Fe de Bogotá, las redes se construirán por el costado norte en las calles y occidente en las carreras [14].
En las vías clasificadas por el Departamento Administrativo de planeación Distrital (DAPD) como vías V0, V1 y V2, así como en las urbanizaciones de estratos 4, 5 y 6 definidos por el decreto 1192 del 22 de Diciembre de 1997, en zonas históricas y en general en aquellos sitios donde la conformación de redes aéreas no estén de acuerdo con las normas establecidas, no se permite el montaje en postes de transformadores de ninguna capacidad, ni la construcción de redes aéreas; en estos casos deben construirse redes subterráneas [15].
Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente, y remitiéndose al Plan de Ordenamiento Territorial de la Secretaria Distrital de Planeación de Bogotá, en el Acuerdo 2 de 1980 Concejo de Bogotá D.C., por el cual se adopta el Plan Vial para el Distrito Especial de Bogotá y se clasifican sus vías según capacidad, función y uso. En el capítulo III “Sistemas Viales”, artículo 6° se adopta la clasificación de ancho de vías, el cual incluye los espacios correspondientes a las calzadas, separadores y andenes, como se ilustra en la siguiente tabla [16].
TABLA 5CLASIFICACIÓN DE VÍAS SEGÚN SU CAPACIDAD [16].
Vía V-0 Ancho mínimo de 100 metros.
Vía V-1 Ancho mínimo de 60 metros.
Vía V-2 Ancho mínimo de 40 metros.
Vía V-3 Ancho mínimo de 28 metros. (Para sectores desarrollados).
Ancho mínimo de 30 metros. (Para sectores sin desarrollar).
Vía V-3E Ancho mínimo de 25 metros.
Vía V-4 Ancho mínimo de 22 metros.
Vía V-5 Ancho mínimo de 18 metros. (Para zonas industriales y penetración a barrios).
Vía V-6 Ancho mínimo de 15 metros. (Local principal en zonas residenciales).
Vía V-7 Ancho mínimo de 12 metros. (Local secundaria en zonas residenciales).
Vía V-8 Ancho mínimo de 10 metros. (Privada comunal).
Vía V-9 Ancho mínimo de 6 metros. (Peatonal).
Luego de tener presente esta clasificación, al relacionarla con lo estipulado en el reglamento dado
por Codensa “Generalidades. 1.1 Normas de construcción redes urbanas de distribución”[14]
para conexiones de distribución Área o Subterránea, se referencia del capítulo IV del Acuerdo 2 de 1980 del Plan Vial para el Distrito Especial de Bogotá [14],
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“Parágrafo.- Modificado por el art. 1, Acuerdo Distrital 17 de 1993; Numeral 1 “Las vías del Sistema Arterial de tipo V-0 son las siguientes” Sub-numeral 1.2 Transversales:
V-0, T-1 (Primaria) AVENIDA ELDORADO
Comienza en el cruce de la Avenida Jorge Eliécer Gaitán con la Avenida Ciudad de Lima; se dirige hacia el Occidente por su trazado actual y termina en el Aeropuerto Internacional Eldorado. [14]”
De esta forma queda claro que el tipo de alimentación a implementarse para el diseño de alimentación exclusivo de media tensión para las 14 estaciones de Transmilenio de la Avenida Eldorado, por reglamentación debe ser subterránea.
Luego de tener claro el tipo de alimentación se debe prestar suma atención a la normatividad
estipulada en el capítulo 25 “PRESCRIPCIONES GENERALES”, sección 7 “CONDUCTORES,
CABLES DE GUARDA Y CABLES DE RETENCION”, subsección 2 “Conductores Subterráneos”, que establece que en el tendido de cables subterráneos se aplicaran los siguientes requisitos adaptados de la Reglamentación para la Ejecución de Instalaciones Eléctricas [11]:
a. “Las canalizaciones o ductos deben ser de materiales que reúnan las siguientes condiciones:
• No higroscópicos.
• Mantener un grado de protección adecuado al tipo de uso.
• Garantizar que no rasguen o deterioren el aislamiento de los conductores.
b. Se acepta el uso de tubos corrugados de PVC de doble pared (tipo TDP) o de polietileno alta densidad para la protección mecánica térmica de cables de redes de media y baja tensión. c. Debe mantenerse una distancia útil mínima de 0,20 m entre el borde externo del conductor y
cualquier otro servicio (gas, agua, calefacción, vapor, aire comprimido, entre otros). Si esta distancia no puede ser mantenida, se deben separar en forma efectiva las instalaciones a través de una hilera cerrada de ladrillos u otros materiales dieléctricos resistentes al fuego y al arco eléctrico, de por lo menos 5 cm de espesor.
d. Los conductores dentro del ducto debe conservar la misma disposición y adecuación a lo largo de todo su recorrido, asegurando que se mantenga la separación de los circuitos.
e. No se admite la instalación de cables sobre el nivel del suelo terminado, se entiende por “suelo terminado” el que habitualmente es pisado por las personas.
f. La profundidad de enterramiento de ductos para redes de distribución subterráneas, tomada desde la superficie superior del suelo terminado hasta la parte superior del conductor o del ducto, no debe ser menor a los valores a 0,45 m. [11]”
5.2
Calculo del perfil de demanda.
Para realizar el cálculo del perfil de demanda del sistema de Transmilenio de la troncal ElDorado, es importante tener un conocimiento acerca de la operación del servicio de buses y conocer parámetros como: el número de rutas asociadas con la troncal, número de buses que atienden el servicio de transporte de pasajeros, horario de operación de cada una de las rutas, longitud de cada ruta, asignación de los diferentes buses a las rutas, tiempo necesario para recorrer cada ruta y frecuencia
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de salida de cada una de las rutas desde el portal. El valor para los últimos tres parámetros mencionados debe diferenciarse a su vez para horas pico, valle y nocturnas.
Con esta información y teniendo presente el trabajo previo que se realizó en el proyecto “Movilidad Eléctrica ‐ Vehículos Particulares y Flotas de Servicio Público Colectivo con Buses Eléctricos: Redes eléctricas de sistemas de recarga y su automatización e Impacto sobre el sistema de distribución”, se toma como referencia la simulación de Monte Carlo implementada allí, para de igual manera obtener el perfil de demanda de cada una de las estaciones que componen la troncal ElDorado.
De esta manera se obtiene tanto la demanda promedio como la demanda máxima de cada una de las estaciones que se encuentra listada en la TABLA VI,y representada gráficamente en las figuras 4– 17 en anexos. Para efectos del presente proyecto se trabajara con la demanda máxima de cada una de las estaciones.
TABLA 6PERFIL DE DEMANDA DE CADA ESTACIÓN DE TRANSMILENO.
Estaciones Demanda Promedio (kW) Demanda Máxima (kW)
Portal ElDorado 195 700
Modelia 158 650
Normandía 80 550
Av. Rojas 158 700
El Tiempo - Maloka 158 650
Salitre - El Greco 195 700
CAN 195 750
Gobernación 119 600
Quinta Paredes 119 650
Corferias 158 650
Ciudad Universitaria 195 750
Plaza de la Democracia 118 600
Centro Memoria 80 500
Universidades 119 600
Total Demanda 2046,4353 9050
5.3
Selección de Subestaciones Eléctricas.
Como se sabe, el objetivo esencial del presente proyecto es el diseño exclusivo de una red de media tensión para la alimentación de la troncal de ElDorado, para la implementación de dispositivos de carga “flash”, por lo que para este numeral, se debe tener presente las Subestaciones Eléctricas ubicadas en la Ciudad de Bogotá D.C.; puesto que a partir de estos puntos mediante la distribución de energía, parte el diseño de la red de media tensión exclusiva para la troncal de ElDorado.
De esta manera remitiéndose al Plan de Expansión de referencia Generación – Transmisión 2013-2027 de la Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), anexo VII: Diagramas Unifilares, se
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tienen las subestaciones que se encuentran en el territorio de la ciudad de Bogotá D.C. En la fig. 1 se ilustran cada una de las subestaciones con su respectivo nivel de voltaje.
Luego de tener el listado de las subestaciones de la ciudad de Bogotá D.C., y como se ha mencionado previamente, asumiendo capacidad disponible en dichas subestaciones, se procede a realizar la respectiva georreferenciación de las subestaciones más cercanas a la troncal de ElDorado, comprendida desde la estación Universidades (Carrera 3 # 21) hasta el portal ElDorado (Calle 26 # 91), por medio del servidor de aplicaciones de mapas en la web que pertenece a Google, Google Maps. Como se listo en las TABLA IIy TABLA III, la troncal de la 26 está compuesta por 13 estaciones y un portal, que para el caso del proyecto y por referencia de su funcionamiento se asume como una estación más, por lo tanto se cuenta con 14 estaciones a alimentar. En laTABLA VIIIse lista cada una de las estaciones con su respectiva distancia entre ellas, lo que ayudara a la selección de las respectivas subestaciones eléctricas para el respectivo diseño de alimentación. De esta forma, en laTABLA VII se listan las subestaciones eléctricas más cercanas a la troncal de
Transmilenio de ElDorado, con su respectiva distancia y la estación de Transmilenio a la que llega el conductor principal (sin derivaciones, con punto de partida la subestación y punto de llega la estación de Transmilenio más cercana).
TABLA 7SUBESTACIONES Y SU RESPECTIVA DISTANCIA A LA TRONCAL DE ELDORADO
TABLA 8ESTACIONES TRONCAL DEELDORADO Y SUS RESPECTIVA DISTACIA
Subestación Punto de Partida Punto Final Distancia (m)
1. Salitre Carrera 68 # 52 Av. 26 con 68 634
2. Gorgonzola Calle 13 Corferias 2640
Gorgonzola Calle 13 Ciudad Universitaria 2300
3. La Paz Calle 13 # 68B-1 a 68B-99 El tiempo 2680
4. Carrera 5 Carrera 5 universidades 779
5. La Florida La Florida Portal ElDorado 1640
6. San Façon Avenida 19-19a Centro Memoria 1100
Estaciones de Transmilenio
Troncal ElDorado Distancia (m)
Universidades 10700
Centro Memoria 8500
Plaza de la Democracia 7700
Ciudad Universitaria 7100
Corferias 6250
Quinta Paredes 5700
Gobernacion 5000
CAN 4500
Salitre-El Greco 3950
El Tiempo-Maloka 3150
Av. Rojas 2500
Normandia 1600
Modelia 800
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Figura 1 Unifilar Área Bogotá [17]
5.4
Planteamiento de Alternativas de Conexión.
Con base en las tablasTABLA VIIy TABLA VIII, se plantearon diferentes alternativas de interconexión, tomando como referencia la ubicación de cada una de las Subestaciones eléctricas y de las estaciones de Transmilenio.
En anexos se listan lasTABLAS XI–XVII, en las cuales se puede observar las diferentes distribuciones de conexión analizadas, junto con el total de conductor (en metros) requerido para cada una de las alternativas.
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5.5
Selección de materiales, componentes y dispositivos a utilizar
La selección del tipo de conductor a usar, para la realización del diseño red de media tensión exclusiva para cargadores flash en el troncal ElDorado, se realiza con base en la norma técnica de condensa “Generalidades 3.3.1. Conductores aislados para distribución subterránea”, que estipula en el apartado de Conductores aislados para distribución subterránea de MT, que para los circuitos de proyectos nuevos o remodelaciones con redes subterráneas para tensiones de 15 y 35 kV, el calibre de la red principal será en conductor 240 mm2 Al. Si la infraestructura civil subterránea no
permite la instalación del conductor en aluminio de 240 mm2 se puede sustituir por conductor en
cobre de 150 mm2 Cu (300kcmil Cu) [18]. Los calibres utilizados en la red subterránea y sus
equivalencias se listan en laTABLA IX.
TABLA 9CABLES UTILIZADOS Y SUS EQUIVALENCIAS PARA REDES SUBTERRANEAS [16]
De acuerdo al nivel de tensión nominal bajo el cual se trabajara, los calibres preseleccionados son los referentes al nivel de tensión de 15kV.
El procedimiento generalmente utilizado para la selección de la sección del conductor de un cable permite determinar la sección mínima admisible, con lo cual se reduce al mínimo el costo de la inversión inicial en el cable. En dicho procedimiento no se tiene en cuenta el costo de las pérdidas que se producen durante la vida de servicio del cable.
El creciente costo de la energía, junto con las altas pérdidas de energía producidas a consecuencia de las temperaturas de funcionamiento que permiten los nuevos materiales aislantes, obliga en la actualidad a considerar la selección de la sección de los cables con unos criterios económicos más amplios. En lugar de minimizar únicamente el costo inicial, se debe minimizar también la suma del costo inicial y del costo de las pérdidas a lo largo de la vida económica del cable. Debido a esta última condición, un cable con sección de conductor mayor que la que se escogería sobre la base del mínimo costo inicial, producirá unas pérdidas de energía menores para la misma corriente y considerado a lo largo de su vida económica, resultará menos caro.
Los costos de las futuras pérdidas económicas que se producirán durante la vida económica del cable se pueden calcular realizando las estimaciones adecuadas del crecimiento de la carga y del
Calibre Utilizado (Cu) Calibre Utilizado (Cu) Calibre Utilizado (Al)
AWG/kcmil mm2 mm2
15 300 kcmil 150 240
15 4/0 AWG 120 185
15 2/0 AWG 70 120
15 2 AWG 35 70
35 300 kcmil 150 240
35 4/0 AWG 120 185
35 2/0 AWG 70
--Tension Nominal
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costo de la energía. La sección de conductor más económica se consigue cuando se minimiza la suma de los costos futuros de las pérdidas de energía y el costo inicial de compra e instalación.
De esta manera, la selección del conductor y demás componentes se analizara a continuación, pues se debe tener en cuenta la alternativa que se desee implementar.
5.6
Selección de la Alternativa Óptima.
En primera instancia se desea implementar uno de los diseños de interconexión listados en las TABLAS XIII–XV yXXIII–XXVI, en anexos, con base en la reducción de costos sin que esto perjudique la confiabilidad del sistema.
De esta manera las propuestas 1, 2 y 3 correspondientes a lasTABLAS XII, XIVyXV, son las que presenta un mayor ahorro en cuanto a longitud de conductor, lo que radicaría en un ahorro en la inversión inicial.
Es importante aclarar que la elección de una de estas 3 alternativas se realiza con base en el análisis de conductor económico que se explicara a continuación y en el estudio eléctrico tanto de cada una de estas tres alternativas como de pequeñas variaciones de asignación de estaciones a cada una de las Subestaciones eléctricas de estas tres alternativas, donde, como se explicara más adelante, se tienen problemas de cargabilidad, por lo tanto estas modificaciones son descartadas.
Como se sabe la función de un conductor eléctrico es conducir la energía eléctrica desde la fuente o punto de acometida hasta el punto de utilización, realizar esta función eficientemente depende de su sección transversal. Debido a su resistencia eléctrica, el cable disipa, en forma de calor, parte de la energía transportada, los conductores se calculan para tener cierta caída de tensión, que equivale a pérdida de energía aproximada a ése valor, esa pérdida es dinero que tiene que ser pagado en la factura del consumo eléctrico y está presente durante toda la vida útil del conductor. Uno de los métodos para disminuir la pérdida económica, es incrementar el diámetro del conductor e implica un incremento en la inversión inicial de la instalación que se integra principalmente de los conductores, sus soportes y la mano de obra de instalación, sin embargo ése aumento en inversión es compensado por la disminución en la pérdida de energía en el conductor y su costo asociado. Aquí se presenta un procedimiento para la selección del tamaño del conductor considerando el costo de la inversión inicial en su adquisición y los costos futuros de operación.
Teóricamente, es posible disminuir la pérdida de energía en el conductor a valores insignificantes, aumentando la sección del conductor a valores infinitos, sin embargo, esto significa aumentar el costo inicial del cableado y sus accesorios a valores que no son rentables, es necesario encontrar un equilibrio entre la ganancia económica en la reducción de las pérdidas y el incremento en el costo inicial de la instalación.
Otro aspecto a tomar en cuenta al incrementar el diámetro del conductor, es la disminución de CO2
(gas de efecto invernadero) emitido a la atmósfera derivado de la disminución de las pérdidas de energía en dicho conductor y la disminución de los hidrocarburos que se queman en centrales
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termoeléctricas, pues es menor el desperdicio de energía y por lo tanto menor la necesidad de generación eléctrica.
La instalación eléctrica como cualquier otro elemento de una unidad de producción, debe generar utilidad económica, ya que tiene un tiempo esperado de vida, un precio de instalación inicial y gastos operativos durante su vida útil. Para comparar los costos de los conductores y su instalación con los costos de pérdidas de energía durante su vida útil, es necesario expresarlos en valores económicos referidos al mismo punto en el tiempo. Es conveniente usar la fecha de compra o ejecución de la instalación y referirlo como "Valor Presente". Los costos "Futuros" originado por las pérdidas de energía deben ser convertidos a su equivalente ―Valor Presente" [19].
La norma internacional IEC 60287-3-2 presenta un procedimiento analítico para determinar la sección óptima de los conductores por medio de la siguiente relación (las relaciones y convenciones de cada una de las variables que la componen se encuentra en anexos) [19]:
𝑆𝑜𝑝= 1000 (𝐼2 ∗ 𝐹 ∗ 𝜌20∗ 𝐵 ∗ [1 + 𝛼20(𝜃𝑚− 20)]
𝐴 )
0.5
(1)
De esta forma, y tomando como referencia las interconexiones de las tres alternativas preseleccionadas, descritas en las TABLAS XIII, XIVyXV he ilustradas en la fig. 2 se procede a realizar el análisis de conductor económico con base en la ecuación (1), las variables listadas a continuación y las distribuciones de carga mostradas en las TABLA X-XII.
Vida Útil de Instalación: 20 años
Tensión de Operación: 11.4kV
Longitud del Conductor: 100m
Temperatura Ambiente Máxima: 30°C
Precio kWh para Bogotá: $376.10 [20]
Tasa de Descuento: 9.97% [21]
Material: Cu
Un porcentaje de caída de tensión del 5%
Horas diarias de Utilización de la Carga: 19h
Días Anuales de Utilización de la Carga: 365d
Los precios de los cables se obtuvieron de [22].
TABLA 10DISTRIBUCIÓN DE CARGA ALTERNATIVA I TABLA 11DISTRIBUCIÓN DE CARGA ALTERNATIVA II
Subestaciones Eléctricas % Carga MW MVA
Salitre 72,93 6600 6947
San Façon 20,44 1850 1947
Carrera 5 6,63 600 632
TOTAL 100 9050 9526
Subestaciones Eléctricas % Carga MW MVA
Salitre 43,65 3950 4158
San Façon 49,72 4500 4736
Carrera 5 6,63 300 632
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TABLA 12DISTRIBUCIÓN DE CARGA ALTERNATIVA 3
Figura 2 Distribución de Subestaciones Alternativas 1, 2 y 3
TABLA 13DISTRIBUCIÓN DE ESTACIONES PARA LA INTERNONEXIÓN ALTERNATIVA I
Subestaciones Eléctricas % Carga MW MVA
Salitre 51,93 4700 4947 San Façon 41,44 3750 3947 Carrera 5 6,63 600 632
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TABLA 14DISTRIBUCIÓN DE ESTACIONES PARA LA INTERNONEXIÓN ALTERNATIVA II
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Con base en la información que se tiene en lasTABLA X-XII, y las fig. 18-45 en anexos que ilustran los resultados del análisis de conductor económico utilizando la ecuación (1), se tiene la distribución de conductores listada en laTABLA XVIpara cada una de las tres alternativas.
TABLA 16TIPO DE CONDUCTOR PARA CADA ALTERNATIVA
Con base en las distribuciones de carga listadas en laTABLA X-XIIy el tipo de conductor listado en la TABLA XVI, luego del respectivo estudio eléctrico que se explicara más adelante, las alternativas 2 y 3 presentan sobrecargas en el conductor, por lo que queda descartada su implementación puesto que infringen la confiabilidad del sistema.
De esta manera, la alternativa óptima para el diseño de Red de Media Tensión Exclusiva para Cargadores Flash en el troncal ElDorado, es la alternativa 1. Los respectivos análisis que a continuación se llevan a cabo se realizaran con base en esta alternativa.
5.7
Cantidades de Obra.
En la tabla se listan las cantidades de obra a utilizar para la alternativa seleccionada a implementar.
TABLA 17CANTIDADES DE OBRA
5.8
Análisis de Confiabilidad del diseño de la red de alimentación.
Las Normas de calidad de servicios en los sistemas de Distribución, en lo que respecta a la confiabilidad, se evalúan junto a la base de la frecuencia y la duración de las interrupciones a los clientes, el marco regulatorio Colombiano de la calidad en los Sistemas de Transmisión Regional y de Distribución Local, se encuentra contenido en la Resolución CREG 070 de 1998 (Código de Distribución), que ha sido modificada y complementada mediante las Resoluciones CREG 025 y 089 de 1999, 096 de 2000, 159 de 2001, 084 de 2002 y 113 de 2003.
1 2 3
Salitre 300 AWG/kCM 4/0 AWG/kCM 4/0 AWG/kCM
San Façon 2/0 AWG/kCM 4/0 AWG/kCM 4/0 AWG/kCM
Carrera 5 2 AWG/kCM 2 AWG/kCM 2 AWG/kCM
Alternativas/Tipo de Conductor Subestaciones
Eléctricas
Elemento Cantidad
300 AWG/kCM Cu XLPE 15kV Trifilar 6884 m 2/0 AWG/kCM Cu XLPE 15kV Trifilar 2590 m 2 AWG/kCM Cu XLPE 15kV Trifilar 1459 m Seccionador con Fusible 42 unid Punto de uso Conexión BT 14 unid Seccionador de Transferencia 6 unid
Interruptor BT 14 unid
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25
Se distinguen dos tipos de indicadores: los de calidad de la potencia suministrada y los de calidad del servicio prestado. Los primeros hacen referencia a aspectos relacionados con la calidad del producto (regulación de voltaje, forma de onda y factor de potencia), mientras que la calidad del servicio se relaciona con la continuidad en la prestación del servicio.
Adicional a esto, internacionalmente la calidad ha sido considerada en tres formas:
Calidad del producto técnico (regulación de voltaje, forma de onda - flicker y armónicos-, factor de potencia)
Continuidad del servicio (DES - FES , SAIDI - SAIFI - CAIDI, TTIK - FMIK)
Calidad de aspectos comerciales
Así pues, con base en lo anterior, en el presente análisis se tendrán en cuenta los siguientes indicadores [23]:
SAIFI = Índice de Frecuencia de Interrupción Promedio del Sistema, por año. SAIDI = Índice de Duración de Interrupción Promedio del Sistema, horas por año. CAIDI =Índice de Duración de Interrupción Promedio del Cliente, SAIDI/SAIFI. ASAI = Índice de Disponibilidad de Servicio Promedio, 1-(SAIDI/8760).
ASUI = Índice de No Disponibilidad de Servicio Promedio.
EENS = Energía Esperada No Sumistrada.
AENS = Energía No Sumistrada Promedio.
Para realizar el respectivo análisis de confiabilidad del sistema (Alternativa 1), se deben tener presente una serie de variables para cada uno de los elementos involucrados en el sistema, como lo son conductores, transformados y seccionadores. La obtención de estos valores se tomaron tanto de “IEEE Std 493-1997” como de diferentes artículos de análisis de índices de confiabilidad [24] [25] [26] [27] [28].
De los cuales se obtuvieron las siguientes variables:
Tasa de fallas activas (λA): Es el número de fallas por año, en el caso de cables y líneas de
transmisión es el número de fallas por año por unidad de longitud. La tasa de fallas activa se asocia con los modos de falla que causaran la operación de la zona de protección primaria alrededor del componente fallado y que por tanto causara la salida de componentes en buen estado o ramas del sistema adicionales [23].
Tasa de fallas pasivas (λP): Es el número de fallas por año, en el caso de cables y líneas de
transmisión es el número de fallas por año por unidad de longitud. Se asocia con los modos de falla que no causan la operación de protecciones y por tanto no tienen impacto en los restantes componentes en buen estado [23].
Tiempo medio de reparación (MTTR): Es el tiempo esperado en horas, en el que se efectuara la reparación o reemplazo de un componente en falla y/o restaura el sistema a su operación normal [23].
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En anexos se listan cada una de las relaciones respectivas con las que se obtuvieron cada uno de los indicadores de calidad listados anteriormente para la obtención del análisis de confiabilidad.
De esta manera, en la TABLA XIX, se listan los indices del sistema de la alternativa optima a implementar.
TABLA 18ÍNDICES DEL SISTEMA
Con base en los resultados de los indicadores listados en laTABLA XIX,y enfocándose principalmente en los indicadores SAIFI y SAIDI, referidos a la memoria anual de Codensa del año 2014, donde se presentan los resultados de la Compañía y los hechos más relevantes de su gestión durante el periodo comprendido entre el 1º de enero y el 31 de diciembre de 2014, se encuentra que en lo referente al comportamiento de la calidad de suministro medido a través de indicadores internacionales, se observó una desmejora en la frecuencia de las interrupciones (indicador SAIFI) con un valor de 12.19 veces (10.8% mayor que en 2013) y en la duración de las interrupciones (indicador SAIDI) con una valor alcanzado de 13.15 horas (12.8% mayor que en 2013), esto originado principalmente por situaciones considerables ocurridas durante el año, como el evento ocurrido en la Subestación Usme en el mes de mayo, el cual afectó cerca de 85.000 familias de la localidad. Por otra parte, las condiciones climatológicas adversas como la temporada de vientos durante los meses de agosto y septiembre, así como las fuertes lluvias en los últimos meses del año también afectaron la calidad del servicio [29]. Con lo que, remitiéndose a los datos de periodos anteriores se observa lo ilustrado en la fig. 3
Con lo ilustrado en la fig. 3 y los indicadores del sistema listados en laTABLA XIX,se puede demostrar mediante la comparación de datos confiables que reflejan la calidad del servicio, que el sistema implementado cumple con los estándares de calidad y prestación de servicio óptimos, puesto que se encuentran por debajo del sistema eléctrico actualmente instalado, lo que repercutirá en una mejora de estos indicadores de calidad al sistema global de electricidad.
Indicador Valor
SAIFI 2,5826 f/año
SAIDI 8,8838 h/año
CAIDI 3,440 h/interrucion
ASAI 0,9990 pu
ASUI 0,00101 pu
ENNS 87,127 MWh/año
AENS 6,0805 MWh/año
