Universidad Nacional de Colombia. Carrillo, Maestre, Mejìa, Vargas. Trabajo final
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Trabajo final para la asignatura
Tópicos avanzados de aislamiento Eléctrico
Luisa Carrillo Medrano
[email protected]
Alfonso Maestre Torres
[email protected]
Manuel Ricardo Mejía
[email protected]
Carlos Fernando Vargas Navarro
[email protected]
Título
Distancias de seguridad para subestación eléctrica de Kimberly Clark Colombia (KCC)
Resumen
El siguiente documento desarrolla el procedimiento para encontrar las distancias de seguridad de los puntos críticos de la subestación de Kimberly Clark Colombia, estos puntos son identificados como la blindobarra de 440 Vrms y la celda que contiene el interruptor de alimentación principal.
Además se estudia el calentamiento, relacionado con la cargabilidad que tiene actualmente la blindo barra y el incremento de la corriente que no supera el 73% de su valor nominal.
Palabras Claves - Blindobarra, Campo Eléctrico, Potencial, Distancia de Seguridad, Termografía, Temperatura. RETIE.
Introducción
En la actualidad los estándares de certificaciones en seguridad industrial son necesarios para evitar o mitigar los riesgos eléctricos a los que se enfrentan los operarios en su jornada. El propósito de este documento es encontrar las distancias de seguridad desde los puntos críticos que son la blindobarra y el tablero del interruptor de alimentación principal de la subestación de 34.5 kV/440 V de la compañía, con un transformador trifásico de 3000 kVA. Ver Fig.1.
Donde se aprecia que del transformador se desprende la blindobarra, con capacidad máxima de 4000A por cada fase, la cubierta externa de la blindobarra en condiciones normales de operación presenta una tensión de cero voltios y esta se encuentra aterrizada junto con la celda del interruptor. Como dato importante la máxima carga actual de la planta de protección infantil es de 2900 A.
Fig.1 Vista de perfil de Blindobarra y Tablero de Interruptor de alimentación.
A continuación se quiere comprobar un estudio realizado por una compañía especializada que según su intervención estableció las siguientes distancias calculadas ubicándose desde el interior de la celda donde está el interruptor de alimentación, y donde se exponen las barras a tensión nominal, nótese también que el dieléctrico es aire:
Sin riesgo 1.1m
Con riesgo 0.6m
Trabajo en caliente 0.3m
Aunque en su informe no lo menciona, al hacer una revisión bibliográfica se encuentra que se aplicó el numeral del RETIE 13.4 (Ver bibliografía) [2].
Los resultados presentados por el RETIE serán usados en el documento para tener una referencia inicial, que puede ser corroborada o declinada de acuerdo a nuestros resultados.
Otra realidad de las condiciones de la blindobarra es que presenta un sobrecalentamiento en toda su geometría con altas concentraciones en las esquinas. Así que se tendrá en cuenta también en los alcances de este estudio, es decir, se hallara y observara la distribución de campo eléctrico y potencial y adicionalmente se buscara porque se presenta una distribución de temperatura anormal en el dieléctrico.
Metodología
En base a los datos principales medidos como tensión, corriente, distancias para la geometría y temperatura, se realizó el siguiente modelo. Ver fig.2
Fig.2 Vista de perfil de Blindobarra y Tablero de Interruptor de alimentación en Comsol.
Para encontrar las distancias de seguridad es necesario conocer la distribución de Campo y Potencial Eléctrico en función de la distancia en un espacio determinado. Para llegar a ello se aplicó el método de elementos finitos, mediante simulación computacional.
Los resultados arrojados por Comsol serán previamente comparados con el estudio de distancias de seguridad presentado en la introducción. Y se pretende soportar mediante el método del factor de utilización.
Una vez obtenido los resultados de nuestro estudio se procede a la corrección por altura sobre el nivel del mar y presión, factores que se encuentran involucrados en la densidad del aire.
Al final se mostrara las distancias de seguridad para una altura de 2550 msnm y condiciones ambientales de la subestación.
Definición del modelo :
Se definen los materiales y elementos de la blindobarra junto con las distancias, para la aplicación en la simulación. Ver tabla 1.
Cubierta Externa
Aluminio
Barras
Cobre
Dieléctrico
Poliestireno
Celda
Aluminio
Espacio
Aire
Muros
Granito
Tabla 1.Materiales de los diferentes dominios considerados en el modelo.
Las dimensiones de la blindobarra son 600 cm largo, 120 cm ancho y 35 cm de alto, esta tiene una altura de 280cm del suelo.
Las barras tienen 10 cm ancho, 25cm alto y 600cm de profundidad
La celda tiene 1.7m de alto, 2m de ancho y 1m de profundidad
Casos de estudio
A continuación se muestra las condiciones de los 3 casos simulados:
Caso1: Condición normal
Se simularon las fases a 440V rms (622Vp), la parte externa de la blindobarra a 0 V ya que se encuentra aterrizada. Para hallar la distancia de seguridad sobre el interruptor principal que alimenta las cargas a la salida del transformador en 440 V rms (622Vp).
Caso 2: Electrodo flotante
Se simularon las fases a 440V rms (622Vp), y la parte externa de la blindobarra a 50 V, teniendo en cuenta que haya una mala puesta a tierra o una tensión inducida por algún problema
Caso 3: Electrodo flotante
Se simularon las fases a 440V rms (622Vp), y la parte externa de la blindobarra a 100 V, teniendo en cuenta que haya una mala puesta a tierra o una tensión inducida por algún problema.
Resultados
Los resultados de los casos mencionados en la metodología fueron los siguientes:
Caso 1
Fig.3 Isométrico del campo eléctrico
Los resultados están resumidos en graficas siguientes que muestran la distribución de potencial y campo eléctrico en el perfil de la blindobarra y la celda del interruptor de alimentación (Fig. 3 y 4), además se muestran las curvas de la tensión y campo eléctrico en el exterior de la celda y de la blindobarra como función de la distancia y altura respectivamente. (Fig. 5 hasta 8)
Para entender las curvas, se conoce que el interruptor está a 2,35 m de la referencia horizontal y la blindobarra a 2,8 m de altura del suelo es decir vertical.
Fig.4 Grafica de Tensión y líneas equipotenciales de perfil de la blindobarra y tablero del interruptor de alimentación
Fig.5 Grafica de Distribución del campo eléctrico en la superficie
Fig.6 Función de Tensión vs Distancia, Vista Horizontal del tablero del interruptor de alimentación para la celda abierta.
Fig.7 Tensión vs Distancia, Vista Vertical del suelo a la Blindobarra.
Fig.8 Campo Eléctrico vs Distancia, Vista desde el suelo a la Blindobarra.
Fig.9 Campo eléctrico vs la distancia, Vista Horizontal hasta la celda del interruptor de alimentación
Caso 2
Fig.10 Isométrico del campo eléctrico
Para este caso la blindo barra actúa como electrodo flotante y al estar su parte externa unida a la celda del interruptor este también lo está. Los resultados son los siguientes:
Fig.11 Grafica de Tensión de líneas equipotenciales, Vista de perfil de la blindobarra y tablero del interruptor de alimentación con Tensión Inducida de 50V.
Fig.12 Distribución del campo eléctrico en la superficie
Fig.13 Tensión vs Distancia, Vista Horizontal hasta el tablero del interruptor de alimentación para la celda abierta, con tensión inducida de 50V
Fig.14 Tensión vs Distancia, Vista Vertical desde el suelo hasta la Blindobarra, con tensión inducida de 50V
Fig.15 Campo eléctrico vs Distancia, Vista Vertical desde el suelo a la blindo barra a 50 V
Fig.16 Campo eléctrico vs la Distancia , Vista Horizontal hasta la celda del interruptor de alimentación a 50 V
Caso 3
Fig.17 Isométrico del campo eléctrico
Este caso es igual al anterior solo suponemos una tensión inducida de 100 V en el exterior de la blindobarra, los resultados obtenidos por la simulación son los siguientes:
Fig.18 Tensión de líneas equipotenciales de perfil de la blindobarra y tablero del interruptor de alimentación con Tensión Inducida de 100 V
Fig.19 Distribución del campo eléctrico en la superficie
Fig.20 Tensión vs Distancia, Vista Horizontal del tablero del interruptor de alimentación para la celda abierta, con Tensión Inducida de 100V
Fig.21 Tensión vs Distancia, Vista Vertical del suelo a la Blindobarra con tensión inducida de 100V
Fig.22 Campo eléctrico vs Distancia, Vista Vertical del piso a la Blindobarra, con tensión inducida de 100 V
Fig.23 Campo eléctrico vs la distancia, vista horizontal hasta la celda del interruptor de alimentación a 100 V
Resumen de distancias encontradas por COMSOL para la celda del interruptor.
De los anteriores resultados arrojados por la simulación en COMSOL, encontramos que coinciden con las distancias de seguridad dadas por la compañía especializada, según el Retie. Para apreciarlos mejor los resumimos en la siguiente tabla:
Casos
Tensión
De exposición
Distancia Horizontal hasta el interruptor
Caso 1
0 V
1,10 m
30 V
0,65 m
Caso 2
0 V
1,25 m
30 V
0,7 m
Caso 3
0 V
1,35 m
30 V
0,75 m
Tabla 2. Distancias de la celda del interruptor encontrado para los tres casos de simulación.
Para tener un mejor entendimiento de la tabla 2, consideramos las distancias a 30 V como aquellas donde existe un riesgo, ya que la diferencia de potencial con tierra permitiría una circulación de una corriente de 30 mA en el cuerpo humano (asumiendo una impedancia promedio de 1K , del cuerpo humano).
Así mismo para determinar la influencia del campo eléctrico sobre el cuerpo humano en los 30V, se toman las distancias halladas para los distintos casos respectivamente y se mira que campo eléctrico tiene, así se obtienen los siguientes valores.
La tabla 3 muestra los valores de campo eléctrico para estas distancias.
Casos
Campo Eléctrico
Distancia del interruptor
Caso 1
0 V/m
142 V/m
0,65 m
Caso 2
40 V/m
164 V/m
0,7 m
Caso 3
54 V/m
170 V/m
0,75 m
Tabla 3. Valores de campo eléctrico para las distancias definidas donde hay riesgo.
Corrección de las distancias y del campo eléctrico para la altura de 2550 msnm
Tocancipa se encuentra a una temperatura promedio de 18 grados centígrados y una presión de 572 mm de Hg. Debido a que los resultados resumidos en la sección anterior fueron simulados con un campo eléctrico disruptivo del aire de 30 KV/cm, el de corrección se calcula de la siguiente forma:
=273+20273+18 x 572760=0,7578
Y la corrección del campo eléctrico es:
E=30Kvcm*0,7578=22,73Kvcm
Y las distancias de seguridad para la celda del interruptor son resumidas a continuación en la tabla 4.
Casos
Tensión
De exposición
Distancia Horizontal hasta el interruptor
Caso 1
0 V
1,451 m
30 V
0,857m
Caso 2
0 V
1,649 m
30 V
0,923 m
Caso 3
0 V
1,781 m
30 V
0,989 m
Tabla 4. Distancias de la celda del interruptor encontrado para los tres casos de simulación corregida.
Distancia mínima por arco eléctrico de la blindobarra.
Conociendo la corrección del campo eléctrico, podemos encontrar la distancia por riesgo de arco en la blindobarra.
Para el caso 1, la tensión externa es 0 V, lo cual indica que no existiría riesgo alguno por arco eléctrico y tampoco por contacto.
Para el caso 2 que supone una puesta tierra mal condicionada y que permite una tensión de 50 V sobre la blindobarra, encontramos la siguiente distancia.
Ud=Ed*s*η
0,0022 cm=*s*η
Para el caso 3 que supone una puesta tierra mal condicionada y que permite una tensión de 100 V sobre la blindobarra, encontramos la siguiente distancia.
U=E*s*η
0,0044 cm=*s*η
El factor de utilización η depende de la geometría del elemento en estudio, para nuestro caso, la blindobarra en la parte inferior se comporta como una placa paralela a la tierra, ya que es un conductor rectangular, aproximando el η a 1 en la parte inferior, desde luego con excepción de las esquinas o dobleces.
De acuerdo a los resultados del valor del campo eléctrico de las esquinas de la blindobarra donde el campo no es homogéneo, Comsol nos arroja un valor de η=0,034
Entonces las distancias mínimas para las esquinas de la blindobarra en el caso 2 y 3 son:
scaso 2=0,063 cm
scaso 3=0,1261 cm
Alta Temperatura en la Blindobarra
Este estudio es un aspecto significativo para la compañía, ya que existe presencia de temperatura en la superficie externa de la blindobarra, que se incrementa al aumentar significativamente la corriente en el transformador, con valores medidos de 45 Centígrados con 1.400 Amperios (ver Fotos 1 y 2) y de 80 centígrados (con acumulación de 120 Centígrados en un borde interno con una curva de 90º) cuando se llega a una demanda de 2.900 Amperios.
Foto 1. Termografía con una carga de 1.400 Amperios.
Foto 2. Termografía con una carga de 1.400 Amperios y con la presencia de un operador debajo de la Blindobarra.
El inconveniente es que la fabrica tiene programado llegar a la carga nominal de 4.000 Amperios en corto tiempo y no se puede prever el comportamiento tanto de la temperatura como la degradación del aislamiento interno en Poliestireno y como consecuencia indisponiendo el sistema con la correspondiente pérdida de la producción y la posibilidad de originar un accidente de tipo eléctrico para alguno de los operadores que atienden esa sección.
El poliestireno es un aislante térmico y eléctrico cuyas características es tener una densidad de 1,05 g/cm^3 y un punto de fusión de 240 ºC.
Realizando una proyección de la temperatura exterior de acuerdo a los datos recolectados y resumidos en la tabla 5 se tiene la siguiente ecuación que relaciona la temperatura con la corriente.
Corriente (A)
Temperatura (ºC)
0
18
1400
45
2900
120
Tabla 5. Proyección de la temperatura.
Fig 24. Proyección de la temperatura
El eje de las abscisas es la corriente y el de las ordenadas es la temperatura.
Para los 4000 A aplicamos la ecuación y encontramos que la temperatura externa puede llegar a 205,27 ºC, lo cual indica que el dieléctrico en la parte interior está por encima de ese valor existiendo una mayor probabilidad de disrrupcion eléctrica en el interior de la blindobarra.
Análisis de resultados y Discusión.
Las distancias de la celda del interruptor en el estudio realizado por la empresa externa en Kimberly no aplicaron una corrección por altura. Lo podemos comprobar al comparar los resultados entregados en la introducción del documento con el numeral d.
Un aspecto importante es que a mayor altura, la densidad del aire es menor, razón por la cual existe un camino libre medio mayor que permite que exista una disrupción en un medio con más facilidad, este hecho lo observamos en el aumento de la distancia de la celda del interruptor desde la altura del nivel del mar a la de Tocancipá.
Los resultados de las distancia de la celda del interruptor pueden variar, debido a que estamos suponiendo que la resistencia del cuerpo humano es constante, y esta depende de la estructura corporal, de la vestimenta y otros factores.
Un hecho interesante es que la única forma para que haya peligro en el exterior de la blindobarra para los casos 2 y 3 es que exista un contacto directo.
Existe una distancia para que se dé un arco eléctrico pero es tan pequeña que no permite que ocurra una avalancha por la forma de la mano de la persona ya que antes de que ocurra habrá un contacto directo, razón por la cual nos muestra que por arco eléctrico no habrá un riesgo cumpliendo la función para la que es creada la blindobarra.
Para las distancias de arco eléctrico en la blindobarra, se tuvo en cuenta que el campo es homogéneo en las placas inferior y superior, por el cual, factor de utilización es unitario y no es la distancia crítica, en cambio hacia el doblez de la blindobarra y las puntas encontramos que el factor de utilización es 0,034, el campo es heterogéneo y aumenta la distancia de seguridad que aún sigue siendo insignificante respecto al tamaño del cuerpo humano.
Lo anterior nos hace pensar que más que riesgos por seguridad de la vida de las personas, la alta concentración del campo eléctrico en los bordes y en el doblez de la blindobarra representa un estrés para el dieléctrico y como podíamos verlo en las termografías la mayor temperatura se presenta en estas zonas.
Un resultado interesante es la curva de temperatura vs corriente, esta se comporta de forma cuadrática en el exterior de la blindobarra, lo que hace pensar que si la temperatura al exterior puede llegar a 205 ºC, con seguridad al interior del dieléctrico será mayor, lo que representa que se debe cambiar la blindobarra para alimentar una carga que demande 4000 A.
Es evidente que un aumento en la temperatura del dieléctrico más el esfuerzo eléctrico sometido en las esquinas por el campo eléctrico permitirá que la blindobarra para 4000 A no sea la adecuada.
Recomendaciones
Se recomienda adoptar de forma inmediata las recomendaciones que establece el RETIE, que va desde la señalización de las distancias de seguridad (personal calificado y no calificado), la planeación del trabajo con manejo de planos eléctricos, el dominio y correcto uso del análisis de riesgos, demarcación de la zona de trabajo, el permiso y orden de trabajo firmada por personal encargado de la operación de la instalación para realizar esta actividad (cada vez que esta se realice).
Adicionalmente se debe adquirir y utilizar los elementos de protección personal certificado contra el riesgo por arco eléctrico para trabajar en tensión (numeral f, recomendaciones del RETIE), que va desde el uso de ropa ignifuga, careta cortafuegos, guantes aislantes y sistema de detección de tensión para verificación la presencia de la misma o ausencia en caso de trabajos desenergizados acompañados de las puestas a tierra, con uso de tarjetas de seguridad de no operar.
Se recomienda que las distancias de seguridad propuestas en el RETIE se les aplique la corrección por altura para que sean aplicadas, debido a que estas son encontradas para el nivel del mar.
Se sugiere que en la parada programada para el primer trimestre de 2014, se analice el real estado del aislante y se vaya analizando la posibilidad de cambiar el aislante dado a los incrementos de la temperatura y las posibles ampliaciones de la planta.
Conclusiones
El calentamiento de la blindobarra de acuerdo a nuestros resultados es dado más por un efecto Joule en las barras y no a un efecto de pérdidas dieléctricas.
No existe riesgo alguno por arco eléctrico en la blindobarra, sino más bien riesgo por contacto directo.
Existen distancias de seguridad para la celda del interruptor, en la que se deben aplicar las distancias del peor de los casos, para este estudio las distancias encontradas del caso 3 que son 1,78 m para una persona sin protección eléctrica y 1 m para personas con mínimos elementos de protección para la ciudad de Tocancipá.
Bibliografía
[1]. Aislamientos Eléctricos. Horacio Torres. 2011
[2]. RETIE,13.4 Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas.
[3].BIRON, Michel (1998). Propriétés des thermoplastiques
[4] Físicanet. «Propiedades de algunos conductores y aislantes
[5] Bernard J. Meister y Clark J. Cummings (2003). «Commercial Processes for the Manufacture of Polystyrene». En John SCHEIRS y Duane PRIDDY (en inglés). Modern Styrenic Polymers. Wiley. , pp.59-65 "Polystyrene Devolatilization"
