Parte 1: Sistemas y estándares de distribución de energía CA

Introducción

El mejor sistema de distribución es aquel que, de manera rentable y segura, suministrará un servicio eléctrico adecuado a las cargas probables presentes y futuras. La función del sistema de distribución de energía eléctrica en un edificio o lugar de instalación es recibir energía en uno o más puntos de suministro y entregarla a las lámparas individuales, motores y todos los demás dispositivos operados eléctricamente. La importancia del sistema de distribución para el funcionamiento de un edificio hace que sea casi imperativo diseñar e instalar el mejor sistema.

Para diseñar el mejor sistema de distribución, el ingeniero de diseño del sistema debe tener información sobre las cargas y conocimiento de los diversos tipos de sistemas de distribución que son aplicables. Las diversas categorías de edificios presentan muchos desafíos de diseño específicos, pero ciertos principios básicos son comunes a todos. Si se siguen estos principios, se obtendrá un diseño bien ejecutado.

Los principios o factores básicos que requieren consideración durante el diseño del sistema de distribución de energía incluyen:

• -Funciones de estructura, presente y futuro.
• -Vida y flexibilidad de la estructura.
• -Ubicaciones de equipos de entrada y distribución de servicio, ubicaciones y características de cargas, ubicaciones de subestaciones unitarias.
• -Factores de demanda y diversidad de cargas.
• -Fuentes de poder; incluyendo normal, de espera y de emergencia
• -Continuidad y calidad de la energía disponible y requerida.
• -Eficiencia y gestión energética
• -Tensiones de distribución y utilización.
• -Alimentadores de bus y/o cable
• -Equipos de distribución y control de motores.
• -Cuadros de fuerza e iluminación y centros de control de motores.
• -Tipos de sistemas de iluminación.
• -Métodos de instalación
• -Sistemas de monitoreo de energía.
• -Requisitos de servicios eléctricos.
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Tecnologías modernas de energía eléctrica

Varios factores nuevos a considerar en los sistemas modernos de distribución de energía resultan de dos cambios relativamente recientes. El primer cambio reciente es la desregulación de los servicios públicos. La dependencia tradicional de la empresa de servicios públicos para el análisis de problemas, las mediciones y técnicas de conservación de energía y una estructura de costos simplificada para la electricidad ha cambiado. El segundo cambio es menos obvio para el diseñador pero tendrá un impacto en los tipos de equipos y sistemas que se diseñan. Es la cantidad cada vez menor de operadores eléctricos de edificios, departamentos de mantenimiento e ingenieros de instalaciones calificados.

Las tecnologías modernas de energía eléctrica pueden ser útiles para el diseñador y el propietario del edificio a la hora de abordar estos nuevos desafíos. La llegada de dispositivos de microprocesador (dispositivos inteligentes) a los equipos de distribución de energía ha ampliado las opciones y capacidades de los propietarios de instalaciones, permitiendo la comunicación automatizada de información vital del sistema de energía (tanto datos de energía como información de operación del sistema) y control de equipos eléctricos.

Estas tecnologías se pueden agrupar en:

• -Monitoreo y control de energía.
• -Interfaces de sistemas de gestión de edificios.
• -Control de iluminación
• -Gestión energética automatizada
• -Diagnóstico predictivo

Various sections of this guide cover the application and selection of such systems and components that may be incorporated into the power equipment Designed.

Goals of System Design

When considering the design of an electrical distribution system for a given customer and facility, the electrical engineer must consider alternate design approaches that best fit the following overall goals.

1.Safety: The No. 1 goal is to design a power system that will not present any electrical hazard to the people who use the facility, and/or the utilization equipment fed from the electrical system.

It is also important to design a system that is inherently safe for the people who are responsible for electrical equipment maintenance and upkeep.

The National Electrical Code® (NEC®), NFPA® 70 and NFPA 70E, as well as local electrical codes, provide minimum standards and requirements in the area of wiring design and protection, wiring methods and materials, as well as equipment for general use with the overall goal of providing safe electrical distribution systems and equipment.

The NEC also covers minimum requirements for special occupancies including hazardous locations and special use type facilities such as health care facilities, places of assembly, theaters and the like, and the equipment and systems located in these facilities. Special equipment and special conditions such as emergency systems, standby systems and communication systems are also covered in the code.

It is the responsibility of the design engineer to be familiar with the NFPA and NEC code requirements as well as the customer’s facility, process and operating procedures; to design a system that protects personnel from live electrical conductors and uses adequate circuit protective devices that will selectively isolate overloaded or faulted circuits or equipment as quickly as possible.

2.Minimum Initial Investment: The owner’s overall budget for first cost purchase and installation of the electrical distribution system and electrical utilization equipment will be a key factor in determining which of various alternate system designs are to be selected. When trying to minimize initial investment for electrical equipment, consideration should be given to the cost of installation, floor space requirements and possible extra cooling requirements as well as the initial purchase price.

3.Maximum Service Continuity: The degree of service continuity and reliability needed will vary depending on the type and use of the facility as well as the loads or processes being supplied by the electrical distribution system. For example, for a smaller commercial office building, a power outage of considerable time, say several hours, may be acceptable, whereas in a larger commercial building or industrial plant only a few minutes may be acceptable. In other facilities such as hospitals, many critical loads permit a maximum of 10 seconds outage and certain loads, such as real-time computers, cannot tolerate a loss of power for even a few cycles.

Typically, service continuity and reliability can be increased by:

• -Supplying multiple utility power sources or services.
• -Supplying multiple connection paths to the loads served.
• -Using short-time rated power circuit breakers.
• -Providing alternate customer- owned power sources such as generators or batteries supplying uninterruptable power supplies.
• -Selecting the highest quality electrical equipment and conductors.
• -Using the best installation methods.
• -Designing appropriate system alarms, monitoring and diagnostics.
• -Selecting preventative maintenance systems or equipment to alarm before an outage occurs.

4.Maximum Flexibility and Expendability: In many industrial manufacturing plants, electrical utilization loads are periodically relocated or changed requiring changes in the electrical distribution system. Consideration of the layout and design of the electrical distribution system to accommodate these changes must be considered. For example, pro- viding many smaller transformers or load centers associated with a given area or specific groups of machinery may lend more flexibility for future changes than one large transformer; the use of plug-in busways to feed selected equipment in lieu of conduit and wire may facilitate future revised equipment layouts. In addition, consideration must be given to future building expansion, and/or increased load requirements due to added utilization equipment when designing the electrical distribution system. In many cases considering trans- formers with increased capacity or fan cooling to serve unexpected loads as well as including spare additional protective devices and/ or provision for future addition of these devices may be desirable. Also to be considered is increasing appropriate circuit capacities or quantities for future growth. Power monitoring communication systems connected to electronic metering can provide the trending historical data necessary for future capacity growth.

5.Maximum Electrical Efficiency (Minimum Operating Costs): Electrical efficiency can generally be maximized by designing systems that minimize the losses in conductors, transformers and utilization equipment. Proper voltage level selection plays a key factor in this area and will be discussed later. Selecting equipment, such as transformers, with lower operating losses, generally means higher first cost and increased floor space requirements; thus, there is a balance to be considered between the owner’s utility energy change for the losses in the transformer or other equipment versus the owner’s first cost budget and cost of money.

6.Minimum Maintenance Cost: Usually the simpler the electrical system design and the simpler the electrical equipment, the less the associated maintenance costs and operator errors. As electrical systems and equipment become more complicated to provide greater service continuity or flexibility, the maintenance costs and chance for operator error increases. The systems should be designed with an alternate power circuit to take electrical equipment (requiring periodic maintenance) out of service without dropping essential loads. Use of draw out type protective devices such as breakers and combination starters can also minimize maintenance cost and out-of-service time. Utilizing sealed equipment in lieu of ventilated equipment may minimize maintenance costs and out-of-service time as well.

7.Maximum Power Quality: The power input requirements of all utilization equipment has to be considered including the acceptable operating range of the equipment and the electrical distribution system has to be designed to meet these needs. For example, what is the required input voltage, current, power factor requirement? Consideration to whether the loads are affected by harmonics (multiples of the basic 60 Hz sine wave) or generate harmonics must be taken into account as well as transient voltage phenomena. The above goals are interrelated and in some ways contradictory. As more redundancy is added to the electrical system design along with the best quality equipment to maximize service continuity, flexibility and expandability, and power quality, the more initial investment and maintenance are increased. Thus, the designer must weigh each factor based on the type of facility, the loads to be served, the owner’s past experience and criteria.

Summary

Es de esperarse que el ingeniero nunca tenga disponible información completa sobre la carga cuando se diseñe el sistema. El ingeniero deberá ampliar la información que se le ha puesto a su disposición basándose en su experiencia con problemas similares. Por supuesto, es deseable que el ingeniero tenga la mayor cantidad de información definitiva posible sobre la función, los requisitos y las características de los dispositivos de utilización. El ingeniero debe saber si ciertas cargas funcionan por separado o juntas como una unidad, la magnitud de la demanda de las cargas vistas por separado y como unidades, el voltaje y frecuencia nominales de los dispositivos, su ubicación física entre sí y con respecto a la fuente y la probabilidad y posibilidad de la reubicación de dispositivos de carga y adición de cargas en el futuro.

Junto con esta información, el conocimiento de los principales tipos de sistemas de distribución de energía eléctrica permite a los ingenieros llegar al mejor diseño del sistema para un edificio en particular.

Está más allá del alcance de esta guía presentar una discusión detallada de las cargas que pueden encontrarse en cada uno de los distintos tipos de edificios. Suponiendo que el ingeniero de diseño haya reunido los datos de carga necesarios, las siguientes páginas analizan algunos de los diversos tipos de sistemas de distribución eléctrica que se pueden utilizar. La descripción de los tipos de sistemas y los diagramas utilizados para explicar los tipos de sistemas en las siguientes páginas omiten la ubicación de los equipos de medición de ingresos de los servicios públicos para mayor claridad. También se presenta una discusión sobre cálculos de cortocircuito, coordinación, selección de voltaje, caída de voltaje, protección de falla a tierra, protección de motores y otra protección de equipos específicos.