MAROTTE MATÍAS DANIEL
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
Facultad Regional Reconquista
PROYECTO FINAL DE CARRERA
CÁLCULO Y DISEÑO DE UN LABORATORIO DE MEDICIONES Y MANIOBRAS
ELÉCTRICAS
RECONQUISTA
2019
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Circuitos Eléctricos y mediciones, Tesis de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Proyecto Final presentado en cumplimiento a las exigencias de la carrera Ingeniería Electromecánica de la Facultad Regional Reconquista.
Tipo: Tesis
2021/2022
1 / 132
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MAROTTE MATÍAS DANIEL
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL
Facultad Regional Reconquista PROYECTO FINAL DE CARRERA CÁLCULO Y DISEÑO DE UN LABORATORIO DE MEDICIONES Y MANIOBRAS ELÉCTRICAS RECONQUISTA 2019
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel MAROTTE MATÍAS DANIEL UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL Facultad Regional Reconquista PROYECTO FINAL DE CARRERA CÁLCULO Y DISEÑO DE UN LABORATORIO DE MEDICIONES Y MANIOBRAS ELÉCTRICAS Proyecto Final presentado en cumplimiento a las exigencias de la carrera Ingeniería Electromecánica de la Facultad Regional Reconquista. Asesores: Ing. Cabás Franco Ing. Cendra Claudio RECONQUISTA 2019
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas
Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel
- INTRODUCCIÓN ÍNDICE
- OBJETIVOS - Objetivos generales................................................................................................................ - Objetivos específicos
- CAPÍTULO 1: DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN
- 1.1 - Características edilicias generales
- 1.1.1 - Características del local
- 1.1.2 - Ubicación y acceso
- 1.1.3 - Características generales
- 1.1.4 - Suelo
- 1.1.5 - Acabado
- 1.1.6 - Dimensiones
- 1.1.7 - Ventilación
- 1.1.8 - Carpintería
- 1.1.9 - Defensas del transformador
- 1.1.10 – Defensa del centro de transformación
- 1.2 - Instalación eléctrica
- 1.2.1 - Red de alimentación
- 1.2.2 - Selección de conductores
- 1.2.3 - Características de la aparamenta de Media Tensión/Baja Tensión
- 1.2.3.1 – Sector de centro de transformación tipo interior
- 1.2.3.2 – Sector de ensayos con transformadores
- 1.2.3.3 – Sector de partes del transformador
- 1.3 - Seguridad de la Instalación
- 1.3.1 - Medidas de seguridad Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel
- 1.3.2 - Distancias de seguridad utilizadas
- 1.1 - Características edilicias generales
- CAPÍTULO 2: CENTRO DE TRANSFORMACIÓN
- 2.1 - Elementos seleccionados
- 2.2 - Protección
- 2.3 - Ensayos
- CAPÍTULO 3: ENSAYOS A TRANSFORMADORES
- 3.1 - Selección de transformadores............................................................................................
- 3.2 - Conexiones entre los transformadores
- 3.2.1 - Conexión estrella – triángulo
- 3.2.2 - Conexión triángulo – estrella
- 3.2.3 - Conexión estrella – estrella
- 3.2.4 - Conexión triángulo – triángulo
- 3.2.5 - Conexión de triángulo abierto
- 3.3 - Tablero de ensayos
- 3.4 - Elementos de la mesa de mediciones del laboratorio
- CAPÍTULO 4: PARTES DE UN TRANSFORMADOR
- 4.1 - Partes constructivas de un transformador..........................................................................
- 4.1.1 - Núcleo
- 4.1.2 - Devanados
- 4.1.3 - Sistema de refrigeración
- 4.1.4 - Bornes de alta y baja tensión
- 4.1.5 - Tanque, cubierta o cuba
- 4.1.6 - Depósito de expansión
- 4.1.7 - Relé de sobrepresión
- 4.2 - Emplazamiento Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel
- 4.3 - Ensayo
- 4.1 - Partes constructivas de un transformador..........................................................................
- CAPÍTULO 5: CÁLCULOS
- 5.1 - Cálculo de Ventilación del laboratorio
- 5.2 - Cálculos de corrientes y selección de conductor de entrada
- 5.2.1 – Corrientes y tensiones nominales
- 5.2.2 - Selección del conductor
- 5.2.3 - Cálculo de corrientes de cortocircuito
- 5.3 – Cálculo de resistividad del terreno
- 5.3.1 - Ensayo
- 5.3.2 - Conclusión..................................................................................................................
- 5.4 - Cálculo de red de puesta a tierra
- CAPÍTULO 6: ENSAYOS PROPUESTOS
- 6.1 - Laboratorio 1: Resistencia de aislamiento
- 6.1.1 - Introducción
- 6.1.2 - Valores mínimos de resistencia de aislamiento..........................................................
- 6.1.3 - Valores de tensión de prueba
- 6.1.4 - Esquemas de conexión
- 6.1.5 - Instrumentos a utilizar
- 6.1.6 - Objetivo
- 6.1.7 - Descripción del ensayo...............................................................................................
- 6.2 - Laboratorio 2: Resistencia óhmica de los devanados.
- 6.2.1 - Introducción
- 6.2.2 - Instrumentos a utilizar
- 6.2.3 - Objetivo
- 6.2.4 - Descripción del ensayo............................................................................................... Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel
- 6.1 - Laboratorio 1: Resistencia de aislamiento
- 6.3 - Laboratorio 3: Relación de transformación.
- 6.3.1 - Introducción
- 6.3.2 - Instrumentos
- 6.3.3 - Objetivo
- 6.3.4 - Descripción del ensayo...............................................................................................
- 6.4 - Laboratorio 4: Prueba de vacío.
- 6.4.1 - Introducción
- 6.4.2 - Instrumentos
- 6.4.3 - Objetivo
- 6.4.4 - Conexión
- 6.4.5 - Descripción del ensayo...............................................................................................
- 6.5 - Laboratorio 5: Ensayo de cortocircuito.
- 6.5.1 - Introducción
- 6.5.2 - Conexión
- 6.5.3 - Instrumentos
- 6.5.4 - Objetivo
- 6.5.5 - Descripción del ensayo...............................................................................................
- 6.6 - Laboratorio 6: Estimación de pérdidas del transformador.
- 6.6.1 - Introducción
- 6.6.2 - Conexión
- 6.6.3 - Instrumentos
- 6.6.4 - Objetivo
- 6.6.5 - Descripción del ensayo...............................................................................................
- 6.7 - Laboratorio 7: Análisis de armónicos. - 6.7.1 - Introducción Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel - 6.7.2 - Conexión - 6.7.3 - Instrumentos - 6.7.4 - Objetivo - 6.7.5 - Descripción del ensayo...............................................................................................
- 6.8 - Laboratorio 8: Ensayos de conexiones de transformadores
- 6.8.1 – Introducción
- 6.8.2 – Conexión....................................................................................................................
- 6.8.3 – Instrumentos
- 6.8.4 – Objetivo
- 6.8.5 – Descripción del ensayo
- 6.8 - Laboratorio 8: Ensayos de conexiones de transformadores
- CAPÍTULO 7: LAYOUT ACTUAL DE LOS LABORATORIOS
- 7.1 - Laboratorios en existencia
- 7.1.1 - Laboratorio de Física..................................................................................................
- 7.1.2 - Laboratorio de Química
- 7.1.3 - Laboratorio de Conocimiento de Materiales
- 7.1.4 - Laboratorio de Caracterización de Materiales
- 7.1.5 - Laboratorio de Hidráulica y Neumática
- 7.1.6 - Laboratorio de Ensayo motor
- 7.1.7 - Laboratorio de caldera
- 7.1.8 - Laboratorio de Mecánica
- 7 .1.9 - Laboratorio de Suelos...............................................................................................
- 7.1.10 - Laboratorio Electricidad
- 7.1.11 - Laboratorio de Fluidodinámica
- 7.1.12 - GRUDIM
- 7.1.13 - Laboratorio de Automatización.............................................................................. Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel
- 7.1 - Laboratorios en existencia
- CAPÍTULO 8: LAYOUT PROPUESTO
- 8.1 - Criterios
- 8.2 – Cambios propuestos........................................................................................................
- 8.2.1 - Laboratorio de Física................................................................................................
- materiales 8.2.2 - Laboratorios de Química, Conocimiento de materiales y Caracterización de
- 8.2.3 - Laboratorio de Ensayo Motor
- 8.2.4 - Laboratorio de Mecánica
- 8.2.5 - Laboratorio de caldera
- 8.2.6 - Laboratorio de Suelos...............................................................................................
- 8.2.7 - Laboratorio Electricidad
- 8.2.8 - Laboratorio de Fluidodinámica
- 8.2.9 - GRUDIM
- 8.2.10 - Laboratorio de Automatización..............................................................................
- CAPÍTULO 9: PRESUPUESTO
- CONCLUSIONES
- PROPUESTAS SUPERADORAS
- BIBLIOGRAFÍA
- ANEXOS
- ANEXO I: CÁLCULOS
- ANEXO II: CATÁLOGOS
- ANEXO III: ENSAYOS Y TRABAJOS PRÁCTICOS
- ANEXO IV: INFORMACIÓN
- ANEXO V: PLANOS
- Plano N°1 “Superficie UTN FRRq” Pág. LISTA DE PLANOS
- Plano N°2 “Ubicación Laboratorio Propuesto” Pág.
- Plano N°3 “Edificio 1 Planta Baja” Pág.
- Plano N°4 “Edificio 1 Planta Alta” Pág.
- Plano N°5 “Edificio 2 Actual” Pág.
- Plano N°6 “Edificio 3 Actual” Pág.
- Plano N°7 “Edificio 4 Actual” Pág.
- Plano N°8 “Edificio 5 Actual” Pág.
- Plano N°9 “Laboratorio Propuesto” Pág.
- Plano N°10 “Unifilar” Pág.
- Plano N°11 “Fachada Edificio” Pág.
- Plano N°12 “Edificio 2 Propuesto” Pág.
- Plano N°13 “Edificio 3 Propuesto” Pág.
- Plano N°14 “Puesta a Tierra” Pág.
- Plano N°15 “Vista en Planta Laboratorio” Pág.
- Plano N°16 “Edificio 5 Propuesto” Pág.
- Plano N°17 “Detalles Constructivos Cerco” Pág.
- Plano N°18 “Funcional Enclavamiento e Indicador” Pág.
- Plano Nº19 “Tablero de Ensayo” Pág.
- Plano Nº20 “Unifilar Alimentación Facultad” Pág.
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel INTRODUCCIÓN Los temas que se tratan en el presente proyecto, están dirigidos a una institución académica en particular, la Facultad Regional Reconquista, de la Universidad Tecnológica Nacional. La misma se encuentra ubicada en el Parque Industrial Reconquista, Calle 44 N°1000, de la ciudad de Reconquista, provincia de Santa Fe. Este proyecto final de carrera consta de dos partes que están estrechamente relacionadas, y son, por un lado, el desarrollo de un laboratorio de electricidad para ensayos y maniobras con una construcción tipo centro de transformación, y por otro, el relevamiento de datos de los laboratorios en existencia para luego proponer un nuevo layout. En la primera parte se propone un laboratorio cuyo diseño se realiza conforme la norma AEA N° 95 .401 “Reglamentación sobre Centros de Transformación y Suministros en Media Tensión”, y respetando en todo momento la “Ley de Seguridad e Higiene en el Trabajo Nº 19587 ”, la cual rige en todo el territorio nacional y proporciona las especificaciones a tener en cuenta para los trabajos con tensión. La construcción propuesta para este laboratorio, es de una subestación transformadora tipo interior, con espacios amplios, teniendo en cuenta que quienes concurran al lugar serán estudiantes que estarán en proceso de aprendizaje, con lo que ello conlleva. Será un centro de transformación construido a partir de celdas didácticas y un transformador didáctico propuesto por la empresa Schneider Electric. La tensión con la que trabajan estos equipos es de 400 V, con una relación de transformación 1 a 1, pero su construcción es para simular toda la aparamenta de 13.2 kV, razón por la cual todos los cálculos del edificio se realizan con dicha tensión.
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel necesarias, atendiendo siempre al acotado presupuesto actual de las universidades públicas, considerada por quien escribe, como una de las mejores posibilidades para el crecimiento de los mismos, la correcta utilización de los espacios, el ordenamiento de los equipos y la movilización de estudiantes.
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel OBJETIVOS Objetivos generales Agregar un laboratorio de electricidad en la UTN FRRq con tres partes: A partir de la incorporación de equipamiento didáctico de la firma Schneider Electric, el cual consta de celdas de media tensión de 13. 2 kV y de un transformador de 13. 2 /0.4-
- 231 kV, se armará un centro de transformación tipo interior de 13.2/0.4-0.231 kV. La tensión de trabajo real es de 400V, con una relación de transformación 1 a 1 por parte del transformador, pero su constitución física es de un equipo de 13.2 kV. Utilizando una unidad transformadora de 33/0.4-0.231 kV con una potencia de 25 kVA, ya existente en la institución, se mostrará las partes constructivas del mismo. Con tres transformadores monofásicos de iguales características, se armará un laboratorio de ensayos. Con el mismo se podrán llevar a cabo diferentes prácticas de todas las cátedras de orientación eléctrica, ampliando así el conocimiento y la visión del estudiante. Además, realizar un reordenamiento y mejoras de los actuales laboratorios, y los más próximos a tener existencia física, proponiendo mejoras edilicias y utilización de los espacios actuales más eficientemente. Objetivos específicos Ampliar las instalaciones del laboratorio de electricidad. Aportar un proyecto para el desarrollo de la facultad. Especificar el lugar de asentamiento de este nuevo laboratorio.
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel CAPÍTULO 1: DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN El centro de transformación, objeto de este proyecto, estará ubicado en el interior de un edificio cuya construcción se propone y será de uso exclusivo para este laboratorio. Tendrá las dimensiones necesarias para alojar el equipamiento correspondiente, y poder ser observado por los estudiantes de la facultad en el proceso de aprendizaje, respetando las distancias mínimas de seguridad entre los elementos según la AEA N° 95 .401. Las cargas a alimentar no se especifican, proyectando el tablero general de baja tensión para sus futuras salidas. Las dimensiones del local, accesos, ventilación y ubicación de celdas se indican en los planos con el avance en la lectura del proyecto (ver Anexo V “Planos”). 1.1 - CARACTERÍSTICAS EDILICIAS GENERALES 1.1.1 - Características del local El local se acondicionará según lo establecido por la AEA N° 95. 401. El edificio se construirá en concordancia con la edificación existente, con paredes de bloque de hormigón. 1.1.2 - Ubicación y acceso La ubicación se muestra en el plano general de la edificación de la UTN Facultad Regional Reconquista (UTN FRRq). Para ello ver los planos N° 1 “Superficie UTN FRRq” y N° 2 “Ubicación laboratorio propuesto”. El acceso dará a la parte posterior del edificio Nº 2, con fácil acceso desde el pasillo formado por este y el edificio Nº3, dentro del predio de la facultad, para poder realizar las
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel distintas prácticas. Además, se tiene en cuenta que su ubicación sea cercana a la carga a la cual alimentaría. 1.1.3 - Características generales La instalación del nuevo laboratorio no contendrá canalizaciones ajenas al Centro de Transformación, tales como agua, gas o teléfono. Será construido enteramente con materiales no combustibles, respetando las normas de seguridad e higiene. Los elementos delimitadores del centro de transformación, como por ejemplo los estructurales delimitadores del transformador, tendrán corta fuego. Los materiales constructivos del revestimiento interior (como pavimento y techo) cumplirán con los requisitos de seguridad en caso de incendio, para riesgo bajo. No se dispondrá elemento alguno en la fachada a una distancia de dos metros de las rejillas de ventilación exteriores del emplazamiento. Se deberá precisar extintores clase ABC, cubriendo así los tipos de incendios que se pudiesen ocasionar en un recinto con tensión y existiendo aparatos de medida. Para respetar la edificación existente, y aprovechando este beneficio, el edificio será de una altura considerablemente alta, ayudando a la no acumulación de calor. 1.1.4 - Suelo El suelo del CT estará a una altura de 25 cm respecto al suelo exterior, con el fin de evitar la entrada de agua al laboratorio. Con el fin de garantizar el acceso a los servicios de emergencia, una buena evacuación en caso de emergencia y tener un adecuado acceso que facilite las tareas de mantenimiento, no se permiten rampas en la entrada. La puerta de entrada al centro será accesible desde la cota cero del nivel exterior. El forjado del pavimento del CT deberá aguantar una sobrecarga en la zona de rodadura suficiente para el transformador instalado y en el resto para el tránsito de personas y ubicación de equipos. En el suelo del CT se habilitarán dos carriles paralelos, fijados por encima, sobre el suelo para apoyo y rodadura del equipo, con una distancia entre ejes de los carriles de 580mm. Dichos
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel Cabe destacar que el cálculo se realiza como si se tuviera un centro de transformación, y no como un laboratorio. Al ser un laboratorio se tendrán ventanas para poder realizar el correcto uso de las instalaciones por parte de los estudiantes y profesores, las cuales se abrirán en su uso, y estas ventilaciones extras no se tendrán en cuenta en el dimensionamiento. El cálculo se realiza con la suposición de que está funcionando el CT cerrado, por lo que sólo contaremos con la ventilación de las rejillas propuestas en el mismo. Estas son necesarias para poder despejar el calor generado por el transformador. Al poseer equipos de medición para la utilización del laboratorio, supondremos el doble de la potencia del transformador a despejar por la ventilación para tener el resguardo necesario. Tanto para el ducto de salida como para el ducto de entrada del aire, se proponen rejillas del siguiente estilo: Imagen 1.1 – Rejillas ventilación – Imagen ilustrativa. La rejilla de entrada tendrá una dimensión de 0. 5 m x 0.5 m, un total de 0. 25 𝑚^2 de superficie de entrada de aire. Esta dimensión sobrepasa con un margen considerable el calculado, pero se opta por mantener las mismas. La ventilación de salida, también será una sola, y tendrá una dimensión de 0. 5 m x 0. 5 m, totalizando una superficie de 0.2 5 𝑚^2. 1.1.8 - Carpintería La carpintería será metálica en su totalidad, protegida mediante galvanizado en puerta de entrada, defensas del transformador y rejillas de ventilación, para evitar su oxidación en el tiempo. Además, los elementos de entrada en la parte exterior tendrán recubrimiento de pintura para protegerlos de la corrosión. Las rejillas de ventilación tendrán malla anti pájaros y roedores.
Cálculo y diseño de un laboratorio de mediciones y maniobras eléctricas Facultad Regional Reconquista – UTN Marotte Matías Daniel 1.1.9 - Defensas del transformador Una malla de protección de dos metros de altura impedirá el acceso al sector del transformador, pero sin dificultar la visibilidad. Esta malla o cerco perimetral será construido con una estructura de acero estructural 40x40 mm y malla cima de 50x50 mm, con columnas de fijación de acero estructural 60x60 mm, con entrada mediante un portón corredizo. Dicho portón, además, irá enclavado electromecánicamente por cerradura con el seccionador de puesta a tierra de la celda de protección, para que no se pueda acceder con el transformador tensionado. En conjunto con el enclavamiento electromecánico, al abrirse el portón, se activará un indicador lumínico y sonoro. Este será para indicar la apertura del recinto en tensión, y podrá ser desactivado manualmente. Se puede observar el lugar de ubicación del cerco perimetral en el plano N°9 “Laboratorio propuesto”, el sistema de enclavamiento electromecánico e indicador lumínico-sonoro en los planos N°17 “Detalles constructivos cerco” y N°18 “Funcional enclavamiento e indicador”. 1.1.10 – Defensa del centro de transformación Se separará la zona del centro de transformación, de las demás partes del laboratorio, mediante una malla de protección. Esta malla o cerco perimetral, se construirá de acero estructural 60x60 mm y malla cima de 50x50 mm. Tendrá un portón de entrada cerrado con cerradura, la cual estará a cargo de las autoridades de la Facultad, quienes controlarán el acceso a la misma. En este lugar, contra el cerco y del lado de la subestación, se pondrá una mesa donde se colocarán los transformadores monofásicos de ensayo, a una distancia de seguridad respecto a las celdas y al transformador. Se puede observar el lugar de ubicación del cerco perimetral en el plano N°9 “Laboratorio propuesto” y en el plano N°17 “Detalles constructivos cerco”. 1.2 - INSTALACIÓN ELÉCTRICA La instalación será tipo interior, junto a todos los elementos pertinentes del laboratorio, cumpliendo con todas las normas de seguridad para hacerlo seguro para los estudiantes y profesores.