Capítulo 2 CÁLCULOS
La cámara de carga de la obra original del proyecto consistía en un depósito subterráneo realizado en mampostería de granito sobre cuyas paredes se asentaban los muros de carga de una pequeña edificación consistente en una cubierta de tejas cerámicas dispuestas sobre vigas de madera , tal y como se aprecia en la figura adjunta . A dicho depósito llegaba el canal en origen
descubierto , más tarde cerrado , y desde él partían las cuatro tuberías forzadas que alimentaban la central así como un una tubería de 150 mm de diámetro que en su día fue el primer abastecimiento de agua del municipio de Colmenar Viejo .En el presenta proyecto se sustituye por una cámara realizada en hormigón armado H-200 totalmente cubierta , se aumenta en sus dimensiones .
La cámara de carga ha sido planteada con el fin de evitar la entrada de aire a la tubería forzada que podría crear indeseables sobrepresiones y al igual que en las bombas origina la caída de las prestaciones , cae el par y por lo tanto la potencia ,se producen ruidos , vibraciones y la erosión de los álabes .No tiene la finalidad de regular la generación de electricidad o el funcionamiento de la turbina ya que damos por hecho que variando el caudal , la turbina va a funcionar de forma permanente salvo paradas técnicas .
En nuestro proyecto su principal misión será la de alimentar la tubería forzada y estará dotada de una rejilla para evitar la entrada de objetos extraños y de dos válvulas de compuerta para tareas de mantenimiento , estará cubierta por una losa de hormigón y en su diseño se han tenido en cuenta los siguientes criterios: -Evitar las pérdidas de carga , para ello se le ha dado una longitud amplia (12 m) , se han evitado contracciones bruscas y se ha utilizado una geometría suave , en forma semicircular
-Se han evitado la formación de vórtices o remolinos que puedan afectar al rendimiento de la turbina mediante la correcta inmersión de la toma o arranque de la tubería forzada .
Equipo Eléctrico de Potencia
Este equipo está formado por los elementos necesarios para, una vez obtenida la energía eléctrica en bornes del generador ,poder entregarla en el lugar exigido con las características adecuadas .Tal y como se ve en la figura adjunta los principales componentes del equipo eléctrico son :
-Generador.
-Transformador de potencia.
-Interruptores automáticos (num 52). -Seccionadores.
-Elementos de mando y de protección . -Servicios auxiliares.
Capítulo 2 CÁLCULOS
ILUSTRACIÓN2.31 : ESQUEMA ELÉCTRICO DE UNA MINICENTRAL HIDRÁULICA
Transformadores .
El transformador es el elemento fundamental de instalación eléctrica y
dependiendo de la tensión de generación del generador , la transformación puede ser baja/media o media/alta tensión .La misión de los transformadores consiste en elevar la tensión para bajar la intensidad y así disminuir las pérdidas por transporte .
Atendiendo a sus características constructivas suelen instalarse de dos tipos : - Transformador encapsulado seco , normalmente se instalan en el interior del edificio de la central , minimizando así la obra civil asociada a la subestación .El incoveniente es que hay que prever un sistema de refrigeración por aire ya sea natural o forzado .
- Transformador en aceite son capaces de trabajar a mayores potencias que los secos pero necesitan de una mayor obra civil , al requerir de cubeto para el aceite también presentan un mayor riesgo en caso de incendio .
El equipo transformador se situará generalmente anexa a la casa de máquinas , pero puede situarse en el interior de la mísma en zonas de marcado valor
ecológico y estará dotado de pararrayos o autoválvulas , que actúan como descargadores a tierra de las sobreintensidades que se producen.
En centrales de poca potencia los generadores van directamente acoplados a los transformadores , existiendo únicamente un interruptor en el lado de alta tensión .Sin embargo , a partir de 500 Kw como en el proyecto que nos ocupa conviene instalar otro interruptor entre el generador y el transformador .
El transformador utilizado puede ser un único transformador trifásico o formarse a base de tres transformadores monofásicos , esta última opción encarece el transformador ,pero simplifica el transporte a lugares poco accesibles y permite mantener un cuarto transformador monofásico de reserva en caso de avería.
Elementos de protección :
Los elementos de protección tienen como función la de proteger algún elemento de la central o la central como conjunto .
-1º Red de tierras .
La función de la red de tierras es evitar que se produzcan diferencias de potencial peligrosas entre diferentes elementos de la instalación .
También debe permitir la evacuación a tierra de las corrientes derivadas o las descargas de origen atmosférico , sin exceder los límites de operación de los equipos .
Una instalación de red de tierras está formada básicamente uno o varios electrodos y por líneas de tierra .
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-Puesta a tierra de protección : a ella se conectarán las partes metálicas de la instalación que no están bajo tensión normalmente , pero que puedan llegar a estarlo a consecuencia de accidentes (carcasas , herrajes , bastidores …..) . -Puesta a tierra de servicio : a ella se conectarán los neutros del transformador , del generador , autoválvulas , elementos de derivación a tierra de los
seccionadores de puesta a tierra y los circuitos de baja tensión de los transformadores de medida .
-2º Pararrayos autoválvulas .
La misión de los pararrayos es proteger la instalación frente a perturbaciones debidas a tormentas o maniobras sobre las instalaciones de transmisión de energía eléctrica.
Los pararrayos anulan las sobretensiones desviando la intensidad de descarga a tierra , anulando o disminuyendo los daños .
-4º Protecciones eléctricas y mecánicas :
Los distintos elementos que componen la central , pueden verse afectados por perturbaciones de origen mecánico o eléctrico .Las protecciones instaladas en la central deberán evitar que estas perturbaciones produzcan daño a los elementos que protegen .Incluso en algunos casos deberán predecir la aparición del
problema antes de que surja .
La activación de estas protecciones puede suponer la necesidad de un paro de urgencia de la central , la puesta en marcha de un equipo auxiliar que permita parar el equipo principal , la puesta en funcionamiento del equipo auxiliar sin interrumpir la producción de energía o simplemente un aviso de que existe alguna irregularidad que debe ser revisada . En el caso que sea necesario parar la central , una vez desconectada de la red , se activa un proceso automático de puesta en marcha que intentará arrancar la central si el fallo desaparece .
-Protecciones mecánicas :
Existen multitud de dispositivos con la misión de proteger , frente a
perturbaciones de origen mecánico , los diferentes elementos de la central , entre ellas destacan :
-Protección contra el embalamiento de turbina y generador .
-Detección de la temperatura de eje y cojinetes en turbina y generador . -Control de niveles y circulación del líquido de refrigeración .
-Control del tiempo de apertura de compuertas .
-Detección de la temperatura del aceite del multiplicador de velocidad .
-Control de los niveles y circulación del aceite de regulación de los elementos de la turbina .
-Control de la temperatura de transformador y generador . -Protecciones eléctricas .
Protecciones del generador :
Las protecciones en los generadores varían en función de si éstos son síncronos o asíncronos y de si el coste que supone añadir la protección en concreto merece la pena o no , entre ellas destacan :
-Protección diferencial . -Protección de sobretensión . -Protección de subtensión . -Protección de subexcitación .
-Protección de cortocircuitos entre espiras . -Protección de contactos a tierra en el estator .
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-Protección frente a retornos de energía . -Protección frente a cargas asimétricas . -Protección de subfrecuencia.
Protecciones del transformador .
-Protección frente a sobretensiones en primario.
-Protecciones con relé Buchholz , dicho relé va a detectar tanto fugas de aceite como posibles arcos y contactos entre espiras .
-Protección diferencial .
-Protección de sobreintensidad . -Protección diferencial de neutro . -Protección de cuba .
Protecciones de la línea eléctrica de interconexión .
Las líneas de interconexión son normalmente los elementos más castigados por las perturbaciones , ya que se van a ver afectados por una multitud de problemas entre los que se encuentran los fenómenos meteorológicos y otros tales como posibles incendios , excavaciones etc….. las principales protecciones en las líneas son :
-Protección de sobreintensidad .
-Protección frente a derivaciones a tierra . -Protección de cortocircuito .
El resto de equipos eléctricos se disponen en cuadros eléctricos situados en el interior del edificio central y básicamente son :
-Disyuntores y seccionadores, que se emplean para la conexión y desconexión a la red.
-Transformadores de medida, tanto de tensión como de intensidad, que facilitan los valores instantáneos de estas magnitudes en diversas partes de la instalación.
-Transformadores de equipos auxiliares, que suministran la tensión adecuada para el correcto funcionamiento de los equipos.
La línea eléctrica necesaria para conectar la central con la red de distribución o con los centros de consumo puede encarecer notablemente el proyecto
dependiendo de su longitud y de la orografía del terreno .Tiene gran importancia la tensión nominal de la red en el punto de conexión ya que podría suponer un coste elevado si estuviera condicionado a conectarse a una línea de alta tensión .
Servicios auxiliares :
Los servicios auxiliares de una central hidroeléctrica son aquellos que sin intervenir directamente en la producción de energía eléctrica , son necesarios e incluso indispensables para este proceso , junto con sus fuentes de alimentación y los sistemas de distribución asociados tanto en corriente alterna como en continua .Evidentemente la elección de las fuentes de alimentación , esquemas unifilares , funcionalidad y automatización está orientada al mantenimiento de la tensión necesaria en los diferentes equipos que componen los servicios auxiliares , incluyendo alimentaciones redundantes y conmutaciones automáticas para los servicios esenciales .
Los servicios auxiliares se clasifican según el grado de seguridad y fiabilidad en la alimentación en tres grandes grupos :
-Servicios auxiliares esenciales .
-Servicios auxiliares seguros o principales . -Servicios auxiliares normales .
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deben alimentar y suelen ir conectados a las barras de M.T. de la central , y están protegidos generalmente mediante fusibles .
Para estimar la potencia nominal del transformador , en general se calcula el consumo de todos los aparatos y equipos conectados a los cuadros de los servicios auxiliares y se aplica un factor de simultaneidad en función de las condiciones normales de explotación del sistema y un factor de seguridad adecuado para prever futuras ampliaciones .
Servicios auxiliares esenciales :
Los servicios auxiliares esenciales son aquellos que deben estar siempre disponibles , sin sufrir perturbaciones por defectos o maniobras incorrectas , generalmente se consideran todos aquellos que ante la existencia de un fallo o la activación de una protección aseguren la desconexión controlada y segura de la instalación .Es necesario asegurar que nunca falle la alimentación de estos
equipos ya que en caso contrario los problemas producidos pueden ser de extrema gravedad .Para asegurar su correcto funcionamiento aún en caso de ausencia de tensión , generalmente se alimentan en corriente continua mediante unas baterías diseñadas con tal fin .
Entre los servicios auxiliares esenciales destacan :
-Equipos de protección y automatismos que permitan el mantenimiento y la puesta en servicio de la central .
-Circuitos de mando , protección y señalización de la aparamenta de alta tensión .
-Equipos de comunicación . -Control de los grupos . -Sistemas de presión de SF6 .
1º Servicios de Control : -Mando y señalización . -Protecciones .
-Telemando .
-Telecomunicaciones .
Las exigencias a los servicios de control se pueden clasificar en :
i-Muy alta disponibilidad : suelen utilizarse alimentaciones y equipos de alimentación redundantes al 100 % .
ii-Alta exigencia en las características de la tensión de alimentación ,
variaciones de tensión inferiores al 10 % con bajos factores de rizado en corriente continua .Variaciones de tensión del 1% si son alimentados en alterna .
iii-Exigencia de puntas de corta duración debidas al disparo de interruptores . iv-Exigencia de valor de capacidad alto para mantener la alimentación durante el tiempo suficiente en caso de falta de alimentación
2º Servicios de fuerza :
-Accionamiento de interruptores . -Accionamiento de interruptores . -Alumbrado de emergencia .
Las exigencias a los servicios de fuerza se clasifican también en cuatro grupos : -Alta disponibilidad : No se requiere redundancia pero si alimentación de apoyo con conmutación automática o manual .
-Exigencias normales de las características de la tensión , con variaciones aceptables de hasta el 15% y menores exigencias en el rizado de la corriente en corriente continua . Variaciones de tensión de hasta el 5% , si son alimentados en
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-Exigencias de puntas de valor alto y duración apreciable , correspondientes , por ejemplo , al tensado de resortes de interruptores .
- Baterías de capacidad moderada o incluso baja .
Los servicios esenciales o seguros son aquellos que pueden permitir una falta de alimentación de corta duración , dando lugar a graves perturbaciones de
funcionamiento si esta perdura .
Algunos ejemplos de este tipo de servicios son : -Iluminación de emergencia .
-Rectificadores de carga de las baterías . -Motores de interruptores .
-Sistemas de refrigeración del generador ,turbina y transformador . -En general sistemas que admitan ¨ceros¨ de tensión .
Servicios normales :
Están formados por aquellos que pueden quedar sin alimentación durante un período prolongado de tiempo sin que el funcionamiento de la central quede comprometido ,por lo que el fallo en alguno de estos sistemas únicamente origina la señalización correspondiente , no el paro de la central .
Entre estos podemos citar : tomas de fuerza , la iluminación normal , el puente grúa , la calefacción del generador , algunos sistemas de refrigeración ….. además de aquellos sistemas redundantes que entren en servicio en caso de fallo de los servicios seguros o principales .
-Esquemas de alimentación de los servicios auxiliares .
Existen diferentes configuraciones de alimentación de los servicios auxiliares atendiendo a diversos parámetros .Podemos encontrar servicios auxiliares
podemos encontrar sistemas de alimentación no redundantes , redundantes , de barra simple o de doble barra , con o sin apoyo de grupos electrógenos .
1º Alimentación no redundante , de barra simple , alimentada directamente desde el generador .
Se usa únicamente en instalaciones de poca potencia ,así se consigue ahorrar el transformador de servicios auxiliares y en caso de no funcionar el generador , el transformador principal o de potencia alimenta a los servicios auxiliares .
2º Alimentación no redundante de barra simple , alimentada desde el transformador de servicios auxiliares .
Esta es la configuración más habitual , el transformador de servicios auxiliares se conecta a barras de la central .
Para aumentar la fiabilidad y la seguridad en la alimentación se pueden disponer dos transformadores trabajando con enclavamiento para poder alimentar con uno u otro sin más que cerrar uno u otro interruptor e incluso con un grupo
electrógeno para alimentar los servicios esenciales .
-Alimentación de los servicios auxiliares con corriente continua
La alimentación de los equipos que funcionan con corriente continua , se realiza mediante un equipo rectificador y la batería de acumuladores , evidentemente las baterías aportarán intensidad o bien cuando se produzca algún corte de
alimentación al rectificador o cuando se requiera un aporte adicional de intensidad al producirse la conmutación de interruptores o relés , arranque de motores , etc…..
Suelen existir varias fuentes de alimentación , una para fuerza, mando y
protección a 110 o 125 V y otras para señalización , autómatas , etc… a 48 o 24 V Regulación y Control
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La entrega de la energía eléctrica ha de hacerse en unas condiciones de tensión y frecuencia que no sólo no pueden ser cualesquiera , sino que además deben variar muy poco en el entorno de sus valores especificados .
Para ello cada grupo está dotado de reguladores de tensión y velocidad .
-Regulador de tensión .
El regulador de tensión de los reguladores síncronos actúa sobre su sistema de excitación modificando la intensidad de campo cuando la tensión en los
terminales se desvía del valor previsto .De esta forma se asegura que las centrales generen en cada momento la potencia reactiva que necesita la red para mantener las tensiones en barras de las centrales en sus valores de consigna .
Así , si queremos elevar la tensión en el nudo al que está conectada , aumentamos la excitación del alternador , disminuyéndola en caso contrario .
En el caso de generadores asíncronos , al no tener circuito de excitación , no puede regularse la tensión generada sino que esta viene impuesta por la red a la que se conecten , en todo es habitual disponer de bancos de condensadores , con un sistema de control automático que conecta más o menos condensadores , con el objetivo de regular el factor de potencia de la energía entregada a la red . Como
-Regulador de velocidad
El regulador de velocidad de las turbinas hidráulicas tiene la función de modificar el punto de funcionamiento de la turbina , para adaptar la potencia generada a la demanda , manteniendo la velocidad de giro de la misma .Esto es necesario para mantener la frecuencia de la tensión generada dentro de límites adecuados para ello requiere de un dispositivo que actúe de forma automática sobre el distribuidor de la turbina o sobre los inyectores si se trata de una turbina Pelton .
Sección de control frecuencia-potencia Actuador mecano-hidráulico
2:Detector de velocidad 1: Contactos de posición del distribuidor 3:Punto de ajuste de velocidad 9: Posiciones límite del distribuidor 4:Punto de ajuste de potencia 10: Bloqueo del actuador 5:Transductor de potencia 11:Control manual del distribuidor 6:Amplificador y transductor electrohidráulico (señal de error ) 12:Auxiliares de arranque y parada 7:Detector de grupo conectado/desconectado 13:Detector de posición del distribuidor 8:Alimentaciones al regulador 14:Sistema de aceite a presión del regulador
15:Controles de bloqueo del servomotor del distribuidor 16:Controles de frenado por aire del generador 17:Amplificador hidráulico
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19:Amplificador hidráulico de control de orientación de álabes ;entradas :salto neto y posiciones del distribuidor y álabes (turbina Kaplan)
-Sección de control frecuencia-potencia :
Su misión es elaborar la señal de control que se transmitirá a la otra sección , tal y cómo se ve el regulador toma como referencia dos señales que se fijan bien manualmente por el operador de la central o bien automáticamente por telecontrol y son el punto de ajuste de velocidad (3) ,
ref, y el punto de ajuste de potencia (4) ,Pref .Dicha potencia de referencia se compara con la señal procedente del
transductor de potencia (5) que suministra la información sobre la potencia que se está generando en ese momento , P , para dar la correspondiente señal de error
:P=P
ref-P
. A su vez , esta señal , afectada por el factor R se añade a la señal deerror de frecuencia
f=(
ref-
obtenida a partir de (3) y del detector develocidad (2) , dando lugar a la señal de error frecuencia-potencia :
f+R*P
En general , la señal se acondiciona mediante unos módulos de control (PID) , dicha señal se amplifica en (6) y se transmite al actuador mecánico-hidráulico .-Actuador mecano-hidráulico .
Es la parte de accionamiento del regulador , el aceite a presión alimenta un amplificador hidráulico (17) .La salida del amplificador hidráulico sirve para accionar el servomotor acoplado al vástago del distribuidor .
Considerando en conjunto la acción del regulador , su funcionamiento puede describirse en síntesis como la transmisión al distribuidor de un movimiento en función del error frecuencia-potencia
f+R*P
.Es importante señalar que la frecuencia y la potencia estarán relacionadas una vez se alcance el equilibrio por una relación lineal , que depende del llamado estatismo del grupo , comprendido generalmente entre el 1 y 6 % .Se puede anular dicho estatismo para hacer la frecuencia constante pero sólo resulta ventajoso cuando sólo hay un grupo alimentando a las cargas ( sistema en isla ) en dicho