CRITERIOS DE DISE ¦ÑO ELECTRICO PARA RASCACIELOS R1

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CONSIDERACIONES EN EL DISEÑO ELECTRICO DE

RASCACIELOS

Octubre de 2012Preparado por Lucas Halphen

CONSIDERACIONES GENERALES

• Seguridad• Costo Inicial• Sistema Confiable• Sistema Flexible y Expandible• Cumpla con Calidad del Servicio• Costos de Operación y

Mantenimiento BAJOS.

CONSIDERACIONES GENERALES• SEGURIDAD

• En el diseño de sistemas eléctricos la seguridad es la consideración número 1, tanto para el personal que hace la instalación como el que posteriormente operará el equipo de la red eléctrica.

• Por tanto el diseñador debe estar familiarizado con los requerimientos del Código Eléctrico Nacional (NEC), el RIE, Resoluciones vigentes, otra normas.

• Velar por ejemplo que, las áreas y espacio para operación y tipo de materiales sean adecuados.

CONSIDERACIONES GENERALES• COSTO INICIAL

• Mantener los costos de la infraestructura eléctrica dentro de parámetros (presupuesto) dados.

• Para ello hay que analizar donde están las fuentes de energía y las cargas, y ver hasta que punto se pueden acercar para garantizar la calidad del servicio minimizando los costos de las acometidas.

• Otra consideración son los niveles de corto circuito que se pueden esperar en los puntos más críticos y especificar los equipos de acuerdo con estos parámetros.

La definición que da el Estándar ANSI/IEEE 493 “Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems” o “Libro Dorado” a:CONFIABILIDAD: Es el concepto que nos informa si un sistema desempeña su trabajo correctamente por un periodo de tiempo dado.

Es un parámetro que depende del tiempo. A tiempos más largos, la confiabilidad es menor, sin importar el tipo de sistema que se diseñe.

DISPONIBILIDAD: Se refiere a la capacidad del sistema de ejecutar un trabajo especifico de forma inmediata, en momento en particular.La disponibilidad se calcula dividiendo el Tiempo Promedio Entre Fallas (TPEF) entre la suma del [Tiempo Promedio En Reparar (TPER) + el Tiempo Promedio Entre Fallas (TPEF)]

TPEF • Ai =

TPER + TPEF

CONSIDERACIONES GENERALES• FLEXIBILIDAD y EXPANDIBILIDAD:

• Ambos términos van de la mano. Se debe tomar en cuenta que con el tiempo la carga tiende a variar, por lo que siempre es recomendable dejar provisión en los tableros con interruptores adicionales, y capacidad en las barras para crecimiento futuro.

• Igualmente la capacidad estimada en los alimentadores debe tener alguna holgura para acomodar aumentos de carga debido a adiciones o reubicación de equipo.

CONSIDERACIONES GENERALES• CALIDAD DEL SERVICIO:

• Se debe cumplir con los niveles de caída de voltaje mínimos aceptables en los puntos de entrega a los equipos, en especial los que están más alejados de la fuente.

• En Panamá la Autoridad Reguladora de los Servicios Públicos (ASEP) establece parámetros que deben cumplir las empresas de distribución, y por tanto cualquier distribución dentro de un edificio o complejo comercial o industrial.

CONSIDERACIONES GENERALES• COSTO de OPERACIÓN y MANTENIMIENTO:

• Generalmente un sistema eléctrico simple, es igualmente simple de mantener y operar. Sin embargo el diseño debe considerar que para dar mantenimiento y mantener la operación del sistema debe haber algo de redundancia.

• La redundancia aumenta la confiabilidad pero también aumenta los costos instalación, de mantenimiento y la posibilidad de errores en la operación.

EXPERIENCIA en el DISEÑO del PROYECTO TRUMP OCEAN CLUB

• El proyecto está ubicado en la ciudad de Panamá, corregimiento de San Francisco, barrio Punta Pacífica.

• Consiste en una torre de uso mixto, de 66 pisos de altura, 4 pisos técnicos, los pisos 2 a 11 y el sótano servirán como área de estacionamiento (2.4 hectáreas), el edificio tendrá una marina y otras amenidades.

• El edificio tiene aproximadamente 265,000 metros cuadrados de construcción, y 293 metros de altura.

• Diseño arquitectónico desarrollado por la firma de arquitectos Arias Serna y Saravia, de Bogotá, Colombia.

CONSIDERACIONES ELECTRICAS

• DETERMINAR LA CARGA• ESQUEMAS DE DISTRIBUCION

• ARQUITECTURA DE RED PRIMARIA• ARQUITECTURA DE RED SECUNDARIA

• GRUPO ELECTROGENO• MEDICION DE ENERGIA• RED DE PUESTA A TIERRA• PARARRAYOS• SISTEMA DE ALARMA DE INCENDIO• SISTEMA DE VOZ Y DATOS

CONSTITUCION DE LA CARGA

ESTIMAR la CARGA y su DISTRIBUCION: Inicialmente, con los planos del proyecto se estiman las cargas por áreas según el ocupante, utilizando las recomendaciones del Estándar ANSI/IEEE 241 “Electric Power Systems in Commercial Buildings” o “Libro Gris”.

Posteriormente se deben revisar las cargas con datos suministrados por los fabricantes del equipo a utilizar.

CONSTITUCION DE LA CARGA

CONSTITUCION DE LA CARGALa carga del edificio la componen:1.Áreas Comunes (Elevadores, luces de estacionamientos y pasillos, bombas,, enfriadores de agua, etc.)2.590 Apartamentos (Condominios)3.Hotel de 379 habitaciones4.Casino de 3,240 mts2

5.4,653 metros cuadrados en oficinas6.Locales Comerciales y RestaurantesEl 50% de la carga del edificio se encuentra arriba del nivel 35

ESTIMADO INICIAL de CARGAS ELECTRICAS

Areas del edificio VA totalesFactor de Demanda

Demanda Estimada

Transformadores

Tensión (Voltios)

Cantidad

Capacidad (KVA)

Areas Comunes , Elevadores y Bombas

2,930,731 0.60 1,758,4382 750 KVA 480/277 V

Areas Comunes, Sotano y Estacionamientos 1 1000 KVA 480/277 V

Hotel 1,315,007 0.50 657,504 1 750 KVA 208/120 V

Casino 670,349 0.75 402,209 1 500 KVA 208/120 V

Ocean Club (Administración) 501,502 0.80 401,202 1 500 KVA 208/120 V

Locales Comerciales + Restaurantes 1,442,563 0.80 1,154,050 2 750 KVA 480/277 V

Viviendas tipo Loft (hacia el mar) 1,867,787 0.35 653,725 1 750 KVA 208/120 V

Apartamentos (Condominos del Nivel 1600 a 3500)

13,520,525 0.35 4,732,1842 y 2

500 y 750 KVA 208/120 V

Apartamentos (Condominios del Nivel 3600 a 6400) 2 y 2

500 y 750 KVA 208/120 V

CARGA TOTAL PARA EL EDIFICIO 22,248,464 9,759,313 17 11,500 KVA

Preparado por Lucas Halphen (Diseñador Eléctrico)

WIKIPEDIA define: Un rascacielos es un edificio particularmente alto y continuamente habitable. A menudo también se denomina rascacielos a aquellos edificios que destacan por su altura sobre los de sus alrededores; esto último se fundamenta en la definición del Council on Tall Building and Urban Habitat.

También existe un criterio basado en altura, situando el límite inferior en unos 152.5 mts (500 pies) de altura. A partir de 305 mts de altura (unos 1000 pies) un edificio suele ser considerado rascacielos superalto.

RASCACIELOS:

EL CIELO ES EL LIMITE

Arquitectura de la red primaria (EDEMET)

• El servicio de energía lo proporciona Gas Natural Fenosa (EDEMET Panamá S.A.). •Se considera la alimentación del proyecto por medio de dos circuitos de 13.2KV.

•El circuito 2-17 de alimentación principal se origina en la Subestación San Francisco, y el circuito CEB-11, que servirá de respaldo se origina en la Subestación Centro Bancario, en Obarrio.

Arquitectura de la red primaria en Media Tensión (15KV) dentro del Edificio

La red primaria dentro del edificio consiste en una red primaria selectiva, con dos alimentadores, dos barras y 6 lazos de carga, cada uno con varios seccionadores y transformadores conectados a dichos lazos.

Una ventaja de este arreglo es que en caso de falla de un transformador se puede aislar del sistema la unidad con daño sin afectar las otras cargas. Sin embargo para aislar una falla de un cable en un lazo puede ser complicado.

• EDEMET, en 2006 elabora un borrador de norma (guía) de diseño para edificios altos.

• La arquitectura de la red primaria dentro del edificio queda constituida así:

1. Un centro de reflexión o seccionador automático (controlado por EDEMET).

2. Gabinete de celdas de seccionamiento (Tablero de mando en media tensión).

3. Gabinete de puesta en paralelo de los generadores.

4. Seccionadores, cables, y transformadoresPreparado por Lucas Halphen (Diseñador Eléctrico)

Arquitectura de la red primaria en Media Tensión (15KV) para el Edificio

El centro de reflexión o seccionamiento es el vinculo de los circuitos primarios 2-17 y CEB-11 antes mencionados. Este elemento estará ubicado en el sótano del edificio y accesible y controlado por la empresa EDEMET.

Gabinete de Celdas de Seccionamiento; Consiste en un gabinete de 15KV, con dos barras horizontales de 1,200 amperios, un interruptor de enlace (Tie) y celdas verticales que incluye los interruptores, elementos de protección, CT´s y PT´s de medición. También llegan las alimentaciones de la calle y las plantas de emergencia. De las celdas de desconexión se extienden los diferentes lazos que alimentan las cargas del proyecto. Este equipo está ubicado en el sótano del edificio.

Celdas de Seccionamiento

Seccionadores y Conductores en Media Tensión (MT)

• Los seccionadores tienen conmutadores al vacio de 200 amperios operables bajo carga.

• Los conductores de MT son de aluminio, de secciones normalizadas por EDEMET, es decir: cables # 500 KCM, o # 4/0 AWG.

• Se toma en consideración que los diferentes circuitos o lazos tendrán la capacidad para llevar toda la carga de este lazo en un momento específico.

• Equipos de transformación de 13.2 KV a tensiones 480V y 208V Y consistirán en:

1. Transformadores tipo gabinete (en el sótano); enfriados por aceite no inflamable, esquema de conexión en anillo, con protección de fusible.

2. Transformadores tipo seco, esquema radial, (en los pisos técnicos) tamaño de acuerdo a la carga.

3. Todos los transformadores se especificaron de acuerdo a las normas establecidas por EDEMET.

Red de Baja Tensión (BT)• La red de BT es de configuración radial.• Del TDP hasta el punto de entrega de cada

piso se utilizan barras ductos de aluminio del tipo enchufable en los tramos verticales y alimentador en los tramos horizontales.

Red de Baja Tensión (BT)• Barra-ductos de Baja Tensión

Las barra-ductos ocupan menos espacio, producen menos caída de voltaje y son relativamente más fáciles de instalar.Durante el proceso de construcción son susceptibles a mojarse o que las golpeen por tanto las juntas deben protegerse de ambas situaciones.

Red de Baja Tensión (BT)• Se utilizan circuitos alimentadores que

van desde el tablero de distribución principal (TDP) hasta tableros ubicados cercanos a la carga.

• Dado que todas las cargas servidas se alimentan de una sola fuente, la diversidad de las cargas puede ser una ventaja.

• La regulación de voltaje en cargas mayores a los 1000KVA puede resultar en sobrecostos asociados a alimentadores de gran tamaño e interruptores de alta capacidad interruptiva.

• Una falla en el secundario, deshabilita todas las cargas aguas abajo hasta que se repare el daño.

CARGA INSTALADA

Area del Edificio

TRANSFORMADORESKVA

Instalados

Factor de Demanda (Primario)

Demanda Estimada (Primario)Cantidad

Capacidad en KVA

Areas Comunes, Bombas y equipo de Sótano y Estacionamientos

2 1,000 2,000 0.60 1,200

Areas Comunes, Elevadores y Bombas Nivel 1500T

1 750 750 0.60 450

Luces de pasillos y estacionamientos 1 500 500 0.80 400

Areas Comunes Enfriadores, Elevadores, Bombas

3 1,500 4,500 0.60 2,700

Hotel Ocean Club3 750 2,250 0.50 1,125

1 1,000 1,000 0.60 600

Casino 2 750 1,500 0.80 1,200

Locales Comerciales + Restaurantes1 750 750 0.70 525

1 500 500 0.70 350

Viviendas Loft 2 750 1,500 0.30 450

Oficinas 1 750 750 0.60 450

Apartamentos (Condo Nivel 1600 a 3500) 2 750 1,500 0.30 450

Apartamentos (Condo Nivel 3600 a 6600) 7 750 5,250 0.30 1,575

CARGA TOTAL DEL EDIFICIO 27 22,750 0.57 11,475

Generación alterna de Energía• Algunos criterios de selección son:

• Requerimientos por el Código Eléctrico

• Tipo de combustible disponible• Complejidad en operación y sus

controles• Requisitos operativos de EDEMET• El tamaño de la carga

Generación alterna de Energía• El NEC 700 explica cuales son los

sistemas de emregencia, el 701 distingue los Sistemas Exigidos Legalmente y el 702 Sistemas de reserva auxiliares.

• El proyecto contará con un grupo electrógeno de generación alterna de energía en 13.2KV. Es decir se contará con la suplencia energética total en caso de falla de la fuente primaria.

• EDEMET no permite la sincronización de la energía generada localmente con el sistema de distribución de la calle.

Generación alterna de Energía• La alternativa a utilizar generadores

aislados e independientes fue descartada debido a limitaciones de espacio y diversidad de clientes.

• Igualmente, en Panamá la opción para el combustible es el Diesel, ya que no contamos con Gas Natural.

• Se ha programado que la primera unidad entra en línea a los 10 segundos y sucesivamente le siguen los otros 3 generadores, sincronizando entre ellos primero para luego recoger la carga de manera escalonada.

Generación alterna de Energía• Los generadores son del tipo “Stand-by”

• Cada generador es de 2,000 KW @ 0.80 factor de potencia. Para un total de 8,000 KW o 10MVA.

• Cada generador cuenta con su sistema de alimentación de combustible con un tanque diario, intercambiadores de calor, bombas de circulación de agua de enfriamiento (mezcla), silenciador tipo crítico.

Generación alterna de Energía• Los generadores son enfriados con

glycol, por medio de 4 radiadores remotos ubicados en los niveles 200 a 600.

• Cada generador cuenta con su controlador independiente en el gabinete de control tanto para la secuencia de encendido y puesta en paralelo de las unidades.

• Igualmente en el cuerpo del generador se tienen relevadores de protección y los de sincronización en las barras de tablero de puesta en paralelo.

Grupo Electrógeno y Tablero de puesta en Paralelo

Generación alterna de Energía

ESQUEMA DE PROTECCION DE GENERADORES

Medición de la Energía• Se diseñaron 2 grupos de medición. La

medición de energía en Media Tensión (que es la energía contratada con EDEMET), y en Baja Tensión (que es la energía consumida por los usuarios).

• Para la medición en Baja Tensión, EDEMET acepta el uso de medidores con telemedición, siempre que los mismos cumplan con las normas establecidas en la Resolución JD-760 del Ente Regulador de los Servicios Públicos.

Medición de la Energía• Los medidores de EDEMET están

colocados en el tablero de Media Tensión, con PT´s y TC´s de acuerdo a la Normativa Técnica de EDEMET.

• Los medidores de energía en Baja Tensión consiste en acumuladores electrónicos programables, integrados por medio de una red de protocolo MODBUS y módulo de facturación para el cargo de consumo emitido el centro de administración del edificio.

Otras Consideraciones• Hay un medidor por cada usuario o

dueño de local comercial o condominio.

• En adición a la red MODBUS, para organizar y controlar la operación de las distintas cargas tales como enfriadores, bombas, ventiladores y otras cargas motoras se dispone de una red integrada con servicio WEB.

• Concurrentemente existen otros sub-sistemas tales como la detección de humo, control de acceso, circuito cerrado de televisión, todos administrados por un BMS.

Otras Consideraciones• El diseño del sistema de distribución

eléctrico debe asegurar que se brinda la calidad del servicio a las cargas en su operación normal o en emergencia.

• Se deben hacer los cálculos de carga y corto circuito para determinar los voltajes de operación y las corrientes de falla esperados, esto permite optimizar los tamaños de alimentadores y capacidades de las protecciones.

Otras Consideraciones

Hacer los estudios de coordinación para hacer los ajustes a las relevadores de protección y lograr una coordinación selectiva y minimizar interrupciones del servicio.

RED DE PUESTA A TIERRA• El edificio cuenta con un anillo de puesta

a tierra en el sótano, con placas de cobre colocadas aproximadamente a cada 7 metros entre ellas.

• A esta red se conectan los bajantes del pararrayos y los nodos de conexión a tierra de los cuartos de comunicaciones.

• Se instalaron dos anillos de tierra adicional en los pisos técnicos (donde están ubicados los transformadores secos) en los niveles 1500 y 3500.

BIBLIOGRAFIA• Estándar ANSI/IEEE 241 “Electric Power

Systems in Commercial Buildings” o “Libro Gris”.

• Estándar ANSI/IEEE 142 “Grounding of Industrial and Commercial Power Systems” o “Libro Verde”.

• Estándar ANSI/IEEE 141 “Electric Power Distribution for Industrial Plants” o “Libro Rojo”.

• Estándar ANSI/IEEE 493 “Design of Reilable Industrial and Commercial Power Systems.” o “Libro Dorado”.

BIBLIOGRAFIA• Código Eléctrico Nacional (NEC)

Ediciones NFPA-70 1999 y NFPA-70 2005.• Reglamento de Instalaciones Eléctricas

de Panamá, compendio de Publicaciones y Decretos de Gabinete de la Junta Técnica .

• Norma Técnica para Suministro Eléctrico a Clientes – EDEMET - 2002

• Cummins Power Generation 2004• Generator Sets, Application and

Installation Guide. Caterpillar 1996• Power/VAC Product Family Application

Guide, General Electric• Power Distribution Systems, Cutler-

Hammer 2006Preparado por Lucas Halphen (Diseñador Eléctrico)

Fin de la presentación

GRACIAS

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