El diseño&dirección de Instalaciones Eléctricas

Por Elvins Aguilar

Este e-book nos sumerge en la importancia del diseño eléctrico en entornos industriales, y sirve de guía para directores, gerentes, profesionales del área civil y estudiantes de ingeniería eléctrica, que tienen la responsabilidad de dirigir y tomar decisiones de diseño de infraestructura de planta.  Se orienta en el diseño eléctrico integral para proteger a las personas e instalaciones y permitir un crecimiento sostenible a largo plazo. La confiabilidad de una instalación eléctrica minimiza las  interrupciones, reduce costos de mantenimiento y prolonga la vida útil de los equipos. Además, pretende lograr una infraestructura eléctrica bien planificada, para proporciona flexibilidad a demandas futuras y aprovechar nuevas oportunidades sin comprometer la eficiencia ni la seguridad.

El autor, con más de 20 años de experiencia en el diseño y desarrollo de redes eléctricas en plantas industriales y edificios, señala que muchos profesionales y  líderes empresariales pueden encontrar los conceptos técnicos difíciles de entender. Por ello, el libro busca ofrecer una guía holística que no solo aborde los aspectos técnicos, sino también los principios fundamentales y las mejores prácticas en el diseño y funcionamiento de las redes eléctricas.

La obra está dirigida a un público amplio, incluyendo arquitectos, ingenieros, gerentes y emprendedores, subrayando que una comprensión sólida de los principios eléctricos es esencial para la toma de decisiones efectiva y el éxito en cualquier entorno industrial.

El libro explora desde la conexión a la red eléctrica hasta la gestión de perturbaciones, y cómo cada segmento de la red eléctrica se interrelaciona para crear un sistema robusto y eficiente. Se destacan aspectos como la importancia de un diseño confiable, el uso de generadores de respaldo, la selección de transformadores y la distribución eficiente de la energía. Además, aborda la importancia de la segmentación de la red, la implementación de sistemas de monitoreo y el diseño de tableros de distribución, UPS, sistemas de iluminación y automatización.

• Idioma: Español
• Editorial: Elvins Aguilar
• Fecha de lanzamiento: 19 ago 2024
• ISBN: 9798227320964

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EL DISEÑO & DIRECCION DE

INSTALACIONES ELECTRICAS

Ing. Elvins Aguilar González

Copyright © 2024 Elvins Aguilar G.

Todos los derechos reservados.

Ninguna parte de este libro puede ser reproducida, almacenada en un sistema de recuperación, o transmitida de ninguna forma ni por ningún medio, ya sea electrónico, mecánico, fotocopia, grabación u otro, sin el permiso expreso y por escrito del editor.

Esta guía está dedicada a todas las personas que tienen la responsabilidad de tomar decisiones y dirigir procesos de instalaciones industriales, a profesionales de otras áreas que tienen interacción con la especialidad eléctrica y estudiantes de ingeniería eléctrica. Proporcionaremos una visión general de los conceptos fundamentales, las mejores prácticas y las consideraciones clave en la gestión de sistemas eléctricos en instalaciones

industriales.

CONTENIDO

INTRODUCCION

PARTE 1

ALIMENTACION ELECTRICA PRINCIPAL

CAPITULO 1. Conexión a la Red Eléctrica Pública.

CAPITULO 2. Fuente de Energía Independiente.

PARTE 2

SUBSESTACION ELECTRICA

CAPITULO 3. Transformación de la Energía

PARTE 3

SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ELECTRICA INTERNA

CAPITULO 4. Diseño de la Red Eléctrica Interna

CAPITULO 5. Segmentación  de la Red

CAPITULO 6. Alimentadores y Subalimentadores

PARTE 4

TABLEROS ELECTRICOS

CAPITULO 7. Tipos de Tableros y sus Aplicaciones

CAPITULO 8. Las Protecciones Eléctricas

PARTE 5

SISTEMAS DE RESPALDE DE ENERGIA

CAPITULO 9.   UPS - Alimentación Ininterrumpida

CAPITULO 10. Generadores de Emergencia

PARTE 6

SISTEMAS DE ILUMINACION

CAPITULO 11. Diseño de la Iluminación

PARTE 7

SISTEMAS DE CONTROL Y AUTOMATIZACION

CAPITULO 12. Tipos de Sistemas de Control

CAPITULO 13. Configuración y Programación

PARTE 8

PERTURBACIONES Y EFICIENCIA DE RED ELECTRICA

CAPITULO 14. Causas y Tipos de Perturbaciones

CAPITULO 15. Detección y Mitigación de Perturbaciones

CAPITULO 16. Factor de Potencia (FP)

PARTE 9

SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

CAPITULO 17. Sistema de Puesta a Tierra

INTRODUCCION

¡Bienvenidos al intrigante mundo de la infraestructura eléctrica industrial!

Comprender la importancia del diseño eléctrico no es solo una cuestión técnica, sino una estrategia empresarial inteligente. Al invertir en un diseño eléctrico sólido desde el principio, podemos proteger nuestras operaciones, garantizar la satisfacción del cliente y sentar las bases para un crecimiento sostenible a largo plazo.

Como gerente, estás constantemente buscando formas de mejorar la eficiencia operativa, garantizar la seguridad de las instalaciones y maximizar el retorno de la inversión. Sin embargo, hay un aspecto fundamental que a menudo pasa desapercibido: el diseño eléctrico de nuestras instalaciones.

Imagina por un momento tus instalaciones funcionando a pleno rendimiento, cuando de repente ocurre una falla eléctrica. El tiempo de inactividad resultante no solo interrumpe nuestra producción, sino que también nos enfrenta a costos de reparación significativos y, lo que es más importante, a la pérdida de la confianza de nuestros clientes.

Un buen diseño eléctrico no solo evita estas situaciones desastrosas, sino que también ofrece una serie de beneficios tangibles. Al garantizar un dimensionamiento adecuado, prolonga la vida útil de nuestros equipos y reduce los costos de mantenimiento. Además, debemos considerar cuidadosamente el tipo de equipos y materiales que utilizamos.

La confiabilidad es clave. Un diseño eléctrico bien ejecutado minimiza las interrupciones no planificadas, lo que se traduce directamente en una mayor productividad y rentabilidad para nuestra empresa.

Pero quizás lo más importante es el potencial de crecimiento futuro que un diseño eléctrico adecuado puede ofrecer. Al planificar nuestras instalaciones con flexibilidad en mente, podemos adaptarnos fácilmente a las demandas cambiantes de la producción y aprovechar nuevas oportunidades de crecimiento sin comprometer la eficiencia ni la seguridad.

En este ebook, exploraremos los fundamentos esenciales que sustentan el corazón energético de cualquier planta industrial. Desde la conexión a la red eléctrica hasta la gestión de perturbaciones, cada punto abriremos una ventana hacia los elementos que la componen, conociendo la increíble importancia de cada segmento de red y estrategia que asegura el funcionamiento óptimo y seguro de las instalaciones. Prepárate para adentrarte en un viaje emocionante donde descubrirás cómo segmento de la red eléctrica, se entrelaza para crear una red eléctrica robusta y eficiente. ¡Acompáñanos en esta exploración hacia la columna vertebral y poder que está detrás de la producción industrial!

En mi extensa trayectoria como ingeniero eléctrico, he dedicado más de 20 años al apasionante mundo de la electricidad industrial. A lo largo de este tiempo, he adquirido una invaluable experiencia en el diseño, desarrollo e instalación de redes eléctricas en diversas plantas de procesos industriales y edificios institucionales. Sin embargo, me he dado cuenta de que muchas veces, las complejidades técnicas y conceptos aparentemente intangibles que manejo a diario pueden resultar poco accesibles para aquellos que lideran organizaciones y gestionan procesos productivos.

Es por eso creo firmemente en la importancia de compartir este conocimiento de manera más amplia. Creo que los profesionales que están dando sus primeros pasos en este fascinante mundo del diseño eléctrico industrial necesitan una guía que vaya más allá de los aspectos técnicos puramente específicos. Mi objetivo es ofrecer una perspectiva más holística de las redes eléctricas, que no solo aborde los aspectos técnicos, sino también los conceptos fundamentales y las mejores prácticas que sustentan su diseño y funcionamiento.

Además, este libro pretende ser una guía indispensable para otros profesionales de diversas especialidades, como arquitectos, ingenieros civiles, prevencionistas, administradores de planta de proceso, gerentes de finanzas, emprendedores y gestores de nuevos proyectos, que forman parte de nuevos proyectos de inversión o de las organizaciones o empresas que dependen de una red eléctrica segura y confiable para garantizar la seguridad y continuidad de los procesos productivos. Mi experiencia me ha enseñado que una comprensión sólida de los principios eléctricos es esencial para la toma de decisiones efectiva y el éxito en cualquier entorno industrial. Con este libro, espero proporcionar esa guía necesaria para aquellos que buscan comprender mejor este aspecto vital de la infraestructura industrial.

¿QUE APRENDEREMOS?

Comencemos resaltando la importancia vital que tiene una instalación eléctrica en diversos sectores industriales. El funcionamiento integral de una industria, la gestión de plantas de procesos o líneas de producción, y para la infraestructura IT, la red eléctrica es un pilar indispensable para una gestión empresarial eficaz. En el ámbito del procesamiento de datos y almacenamiento de la producción, especialmente en sectores críticos como la cadena de frío, o dispositivos vitales en hospitales, la fiabilidad eléctrica adquiere una relevancia crucial, ya que cualquier interrupción podría acarrear pérdidas significativas.

Los costos asociados a una interrupción de energía en una industria son considerablemente altos debido a la paralización del proceso productivo. En plantas de procesamiento continuo, esta interrupción conlleva gastos relacionados de recursos humanos adicionales y retrasos en los plazos de entrega de la producción. Esto, a su vez, genera demoras en la cadena de suministro y logística, impactando la producción en su totalidad. En consecuencia, estos contratiempos no solo afectan la eficiencia operativa de la empresa, sino que también tienen un impacto directo en su rentabilidad y competitividad en el mercado.

Es por ello que resulta vital gestionar el desarrollo de instalaciones eléctricas confiables y robustas desde su fase de diseño. Esto permitirá minimizar los tiempos de interrupción y mitigar los costos asociados a estas situaciones. Al invertir en infraestructuras eléctricas seguras, de alta calidad y en sistemas de respaldo eficientes desde el inicio, las empresas pueden reducir la probabilidad de fallos y optimizar la continuidad operativa. Además, un diseño cuidadoso que considere la redundancia, la capacidad de carga y la seguridad eléctrica contribuirá a mantener la producción sin interrupciones. En resumen, una gestión proactiva y precisa del diseño eléctrico es esencial para garantizar la fiabilidad y disponibilidad de energía, y para proteger el proceso productivo de costosos tiempos de interrupción.

Comenzamos explorando la importancia crucial de la conexión a la red eléctrica pública, analizamos la viabilidad y los beneficios de implementar fuentes de energía independientes, como generadores diesel, para garantizar un suministro energético confiable en caso de interrupciones.

En la sección dedicada a las subestaciones eléctricas, nos sumergimos en el mundo de la transformación de energía y la distribución eficiente de la misma. Discutimos los diferentes tipos de transformadores y cómo seleccionar el más adecuado para optimizar un proyecto. También abordamos el diseño de sistemas de distribución para asegurar una entrega confiable de energía, junto con las consideraciones de seguridad asociadas a la instalación y operación de subestaciones.

Continuamos nuestro viaje explorando el diseño de la red eléctrica interna de la planta, desde la planificación de la distribución de cargas y rutas de cableado hasta la selección de equipos de distribución adecuados. Además, destacamos la importancia de segmentar la red para facilitar el mantenimiento y la identificación de fallos, así como la implementación de sistemas de monitoreo para una detección proactiva de problemas.

En las secciones siguientes, nos sumergimos en el mundo de los tableros de distribución, los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) y los generadores de emergencia. Exploramos los diferentes tipos de UPS y generadores, así como las consideraciones para su instalación, mantenimiento y operación. También analizamos el diseño de la iluminación industrial, la protección contra fugas a tierra y los sistemas de control y automatización.

Finalmente, abordamos la importancia de las perturbaciones en la red eléctrica, así como las estrategias para mitigar estos problemas y garantizar la eficiencia y confiabilidad del sistema eléctrico en su conjunto.

PARTE 1

ALIMENTACION ELECTRICA PRINCIPAL

CAPITULO 1

CONEXIÓN A LA RED PUBLICA

¿ Cuál es la mejor elección, alta o baja tensión para conectarnos a la Red de Distribución ?

Un gerente de una planta debía ampliar su planta de proceso para cumplir la meta de producción de los próximos dos años que ya estaba vendida, y solicitó estimar el costo de dicha ampliación, asignando recursos por 350.000 dólares a la ampliación eléctrica, sin embargo cuando terminó el desarrollo del proyecto eléctrico, se encontró con la sorpresa que la ampliación de la red eléctrica era cercana a 900.000 dólares.

¿Por qué fallo de esta manera la estimación?

El gerente debería haber llevado a cabo un análisis detallado del alcance del proyecto, identificando todas las actividades y componentes necesarios para la ampliación eléctrica. Esto habría ayudado a evitar omisiones importantes que podrían haber contribuido al aumento de los costos.

El gerente no tuvo en cuenta las limitaciones estructurales de la instalación existente para disponer un aumento significativo de la potencia requerida para la ampliación. Además, no consideró la necesidad de realizar una nueva conexión a la red eléctrica de distribución local, la construcción de una nueva sala eléctrica, y la disponibilidad de espacios exteriores para la instalación de la nueva subestación eléctrica y los generadores de respaldo. En resumen, se asumió erróneamente que la ampliación se limitaba únicamente al interior de la planta, sin tener en cuenta las necesidades adicionales de infraestructura eléctrica externa.

EL DIMENSIONAMIENTO

El primer paso en el diseño de una instalación eléctrica es determinar la potencia que demandarán los nuevos consumidores o si existe disponibilidad para ello en las instalaciones existentes.

Es crucial realizar un análisis detallado de la carga eléctrica actual y proyectada, considerando factores como la potencia requerida por nuevos equipos, la disponibilidad de suministro eléctrico y las limitaciones estructurales de las instalaciones existentes. De esta manera, se puede diseñar una instalación eléctrica que satisfaga las necesidades presentes y futuras de manera eficiente y segura.

La pregunta más importante que debemos hacernos es qué potencia (kilovatios), es la que necesitamos, lo cual será un primer indicativo del nivel de tensión al cual debemos conectarnos. Y aquí debo hacer mención, que la red de media tensión algunas veces no está disponible en nuestro emplazamiento físico, y será necesario construir una extensión de red, que debes negociar con la empresa de distribución.

Para determinar si debes conectarte en media tensión o en baja tensión, y el nivel de potencia del que estamos hablando, es necesario considerar varios factores.

Potencia requerida

Evalúa la potencia total que demandarán los nuevos equipos o consumidores que se agregarán a la instalación.

Es importante hacer un inventario de nuevos equipos y consumidores que se sumarán a la instalación, incluyendo máquinas, HVAC ( calefacción, ventilación y aire acondicionado), sistema de iluminación, oficinas, áreas comunes, etc.

Se debe determinar la potencia requerida por cada consumidor. Esto puede implicar consultar las especificaciones técnicas del fabricante o realizar mediciones directas en el caso de equipos iguales a los existentes.

Los equipos demandan potencia en kilovatios y consumen energía en kilovatio/hora. En consecuencia, la potencia eléctrica es la unidad para la cual se diseña la instalación  y la energía eléctrica es el consumo por unidad de tiempo esa potencia.

energía (kwh) =  potencia (kw) * tiempo (hrs)

Existen equipos que son de una potencia elevada, y que consumen poca energía, como soldadoras al arco, compresores de aire de alta potencia, equipos de calentamiento por inducción, equipos de corte laser, cargadores o super cargadores de batería, en los cuales se necesita una alta potencia durante un tiempo de funcionamiento, pero su ciclo de trabajo es bajo.

Por lo demás, es necesario saber si los grandes consumidores entran en el mismo ciclo de operación, o trabajan en desfase de tiempo, o se puede secuenciar su operación, por ejemplo, los sistemas de enfriamiento de frigoríficos, donde la variable temperatura, que es de lenta variación, permite secuenciar consumos para que no entren en funcionamiento simultáneamente.

La potencia demandada en una planta es la suma de las potencias de sus ​ consumidores, multiplicado por su factor de simultaneidad. Se conoce como demanda máxima.

Es fundamental realizar un análisis de cargas o balance eléctrico en cada diseño, involucrando tanto al ingeniero encargado del diseño como al especialista eléctrico de la planta, quien posee un conocimiento profundo del ciclo de operación de los procesos y equipos. Solo a través de esta colaboración se obtendrá un diseño óptimo, evitando tanto la sobredimensión como la subdimensión, ambas situaciones pueden resultar en mayores costos de inversión.

Si la potencia requerida es alta (generalmente por encima de unos pocos cientos de kilovatios), podría ser más eficiente y rentable conectarse en media tensión. Sin embargo,  no hay una potencia específica establecida en el NEC para determinar cuándo se debe conectar obligatoriamente en media tensión. En lugar de basarse en la potencia, la decisión de conectar en media tensión se basa en factores como la capacidad de carga, la distancia de transmisión y las regulaciones locales.

Distancia de transmisión

En muchas ocasiones he visto que los usuarios del servicio, asumen que la tarifa eléctricas de media tensión (MT)  es la variable a considerar a la hora de elegir la tensión de suministro, pero en realidad, debo aclarar que una tarifa en MT considera costos adicionales como las pérdidas del transformador (4%-6%), los costos de inversión y costos de mantención de líneas y subestación, y no es necesariamente más económica que la tarifa en baja tensión, más bien, ambas tarifas son muy similares, si consideramos todas las variables antes indicadas.

En consecuencia, la decisión de conectarse en MT o en BT, pasa por la cantidad de pérdida de energía de los conductores eléctricos de baja tensión que van desde la subestación al centro de consumo de la planta. Por ejemplo, el costo por pérdidas de energía por un tendido de 75 metros, para una potencia promedio de 400 kilovatios, en una conexión de BT, pueden llegar a ser 6.000 dólares anuales, y ser un incentivo suficiente para justificar la extensión del tendido de una línea de MT mas cerca del centro de consumo.

Si la distancia entre la fuente de suministro y los consumidores es considerable, la transmisión de energía a través de media tensión puede ser más eficiente y económica debido a las pérdidas de energía más bajas en comparación con la transmisión a baja tensión.

piensa porqué las líneas de transmisión principales de un país se hacen en alta y muy alta tensión

Capacidad de la infraestructura existente

Si hablamos de una instalación pequeña a mediana, es posible que la instalación, ya sea en media o baja tensión, esté diseñada para soportar una carga adicional de consumo bajo un 20% de carga adicional, sin necesidad de modificar la estructura principal de la instalación. Sin embargo, siempre se debe evaluar la capacidad de la infraestructura eléctrica que tienes en el sitio para manejar la carga adicional.

Una modificación en una instalación de baja tensión más allá de un 20% puede no ser recomendable, ya que esto puede llevar a un aumento significativo en la potencia de cortocircuito. Si las protecciones eléctricas no están preparadas para manejar esta carga adicional, podrían producirse daños en los equipos, interrupciones en el suministro eléctrico e incluso representar un riesgo para la seguridad. Por ello, es esencial evaluar la capacidad de la infraestructura existente, si hablamos de unos cientos de kilovatios y considerar si realizar modificaciones en baja tensión o conectar en media tensión sería más seguro y eficiente. En muchos casos, la conexión en media tensión puede ofrecer una mayor capacidad de carga y una transmisión más eficiente de energía, reduciendo así los riesgos asociados con el aumento del consumo en instalaciones de baja tensión.

Costo de la instalación y mantenimiento

En cuanto al costo de la instalación y mantenimiento, la conexión en baja tensión suele ser más económica inicialmente debido a la menor complejidad de los equipos y materiales necesarios. Sin embargo, a medida que aumenta la carga y la distancia de transmisión, es posible que se requieran actualizaciones más frecuentes y costosas para satisfacer las demandas energéticas, lo que puede elevar los costos a largo plazo.

Por otro lado, la conexión en media tensión implica una inversión inicial más alta debido a la necesidad de equipos más robustos y costosos, como transformadores, celdas de conmutación, espacios de seguridad y sistemas de protección a tierra adicionales. Sin embargo, estos sistemas tienden a ser más eficientes en la transmisión de energía a largas distancias y pueden soportar cargas más elevadas sin necesidad de actualizaciones frecuentes. Además, los costos de mantenimiento suelen ser menores debido a la mayor durabilidad de los equipos de media tensión.

En muchos países, existe la posibilidad de alquilar equipos de MT para emplazamientos industriales a empresas dedicadas a ofrecer este servicio de alquiler, o bien, las mismas empresas de distribución eléctrica ofrecen esta opción, disminuyendo tu inversión inicial. Además, evitas disponer de especialistas de MT en tu planilla, y la velocidad de respuesta de una empresa dedicada a la MT, como respuesta a una falla, es mucho mejor.

NORMATIVA Y REGULACIONES APLICABLES

Las regulaciones y normativas locales relacionadas con las conexiones eléctricas de media y baja tensión varían según el país, la región e incluso la jurisdicción específica. Las normativas eléctricas de diferentes países, tanto europeos como americanos, comparten varias características comunes. Estas incluyen estándares de seguridad para la instalación eléctrica, requisitos para la protección contra sobrecargas y cortocircuitos, pautas para el uso de materiales y equipos eléctricos certificados, directrices para la puesta a tierra adecuada y normas para la inspección y mantenimiento periódico de las instalaciones. A pesar de algunas diferencias específicas, todas buscan garantizar la seguridad, fiabilidad y eficiencia de las instalaciones eléctricas.

Los códigos nacionales eléctricos y las normas en general, se establece que el punto de conexión es el punto de inflexión de la responsabilidad de la instalación. Ya sea una conexión en media o baja tensión, es habitual que la compañía sea responsable hasta el equipo de medida que registra del consumo del cliente. En el caso que tu arriendes equipos de media tensión a la misma empresa eléctrica, la responsabilidad de ésta será hasta el punto de interconexión con su red interna, lo que deberá quedar estipulado en el contrato de suministro que firmen las partes.

Es importante destacar que, en caso de construir una extensión de red de media tensión para conectarse a la red pública, es crucial asegurarse de que esta cumpla con la normativa de diseño y calidad establecida por la empresa de distribución local. Esto garantiza el cumplimiento de las normas de seguridad y, además, te permitirá, en el futuro, ceder esta subred a la compañía local para su mantenimiento.

En ocasiones el tendido de una red de media tensión pueden verse afectadas por normativa medioambiental ( arboles, áreas protegidas, climas extremos, etc),  requisitos de eficiencia energética (motores de alta eficiencia, iluminación LED, sistema de gestión energética) o por obstrucciones físicas que modelen su diseño